Bulle (physique)

Bulles d'air d'un nageur .

Bulles de gaz dans un soda

Bulle de gaz dans une mare de boue dans le parc du Yellowstone

Une bulle est un globule d'une substance dans une autre, généralement d'un gaz dans un liquide. Grâce à l'effet Marangoni, des bulles peuvent demeurer intactes lorsqu'elles atteignent la surface de la substance dans laquelle elles sont immergées.

Exemples courants

Les bulles font partie de la vie courante, on peut citer :

• La nucléation du dioxyde de carbone sursaturé dans les boissons gazeuses (eau pétillante, soda, bière, etc.).
• La vapeur d'eau lors de l'ébullition de l'eau
• L'air mélangé à l'eau par agitation dans une cascade
• Les réactions chimiques, par exemple du vinaigre sur de la craie
• Les bulles d'air piégée dans un verre lors de sa trempe

Propriétés

Les bulles se forment et coalescent sous une forme globulaire (sphérique) car cette forme est celle minimisant l'énergie de tension de surface pour un volume donnée (problème de Plateau). Pour une analyse plus détaillée de cette formation, voir nucléation.

Apparence

Les bulles peuvent être discernée à l'œil car elles ont un indice de réfraction différent de la substance dans laquelle elles sont immergées. Par exemple, l'indice de l'air est approximativement 1,0003 tandis que celui de l'eau est d'environ 1,33. Les lois de Snell-Descartes décrivent le comportement d'une onde électromagnétique à l'interface entre deux milieux d'indices différents. Les bulles peuvent ainsi être identifiées par leur réfraction et réflexion bien qu'elles-mêmes et leur milieu soient transparents.

Pulsation

Quand des bulles sont excitées, elles pulsent (c'est-à-dire qu'elles oscillent en taille) à leur fréquence propre.

Les bulles de grandes tailles (tension de surface et conductivité thermique négligeables) effectuent des pulsations adiabatiques, ce qui signifie qu'il n'y a pas d'échange de chaleur entre le gaz et le liquide. La fréquence propre de telles bulles est alors données par l'équationModèle:, :

$f_{0}={1 \over 2\pi R_{0}}{\sqrt {3\gamma p_{0} \over \rho }}$

avec:

• $\gamma$ la capacité thermique du gaz
• $R_{0}$ est le rayon à l'équilibre
• $p_{0}$ est la pression d'équilibre
• $\rho$ la masse volumique du liquide immergeant

Des bulles plus petites effectuent des pulsations isothermes. L'équation correspondante pour de petites bulles de tension de surface σ (et une viscosité du liquide négligeable) est:

$f_{0}={1 \over 2\pi R_{0}}{\sqrt {{3p_{0} \over \rho }+{4\sigma \over \rho R_{0}}}}$

Les bulles excitées piégées sous l'eau sont la principale source des sons liquides tels que ceux produit lors de l'impact d'une gouttelette de pluie sur une surface d'eauModèle:,.

Utilisations des bulles

La nucléation peut être provoquées intentionnellement par exemple pour graver des motifs en 3D dans un bloc de verre.

En imagerie médicale l'échocardiographie de contraste permet d'améliorer le contraste d'une échocardiographie classique en injectant des petites bulles d'air encapsulées.

Dans une imprimante à jet d'encre, et parfois dans des applications de microfluidique, des bulles de vapeur sont utilisées comme déclencheurs.

L'effondrement rapide de bulles (cavitation) près d'une surface solide et le jet de contact qui en résulte sont utilisés dans un bain à ultrasons pour nettoyer des pièces aux formes complexes. Le même effet, à plus grande échelle, est utilisée pour concentrer l'énergie de certaines armes tels les torpilles ou les bazookas. On peut aussi l'utiliser pour détruire des calculs sanguins. Les mammifères marins tels les dauphins et les baleines utilise les bulles pour jouer ou comme moyen de chasse.

Dans le génie chimique et la métallurgie, les ingénieurs utilisent des bulles pour des opérations telles que la distillation, l'absorption, la flottation et l'atomisation Les processus complexes impliqués requièrent souvent des modèles de mécanique des fluides faisant intervenir des masses et des transferts de chaleur.

La taupe à nez étoilé et de nombreuses musaraignes peuvent sentir sous l'eau en respirant rapidement par le museau pour créer des bulles.

Physiologie et médecine

L'accident de décompression, bien connu en plongée sous marine, est le résultat de blessures dues à la formation et la croissance de bulles dans les tissus corporels à la suite de la décompression du gaz (souvent de l'air) sursaturé présent dans le sang. Ces dommages peuvent être dus à la déformation mécanique des tissus lors de la croissance où à l'obstruction de vaisseaux sanguins où se sont logés des bulles, on parle alors d'embolie gazeuse. Ce phénomène peut aussi apparaître à la suite d'une perfusion intraveineuse ou lors d'une opération chirurgicale.

Voir aussi

• Sonoluminescence
• Acoustique sous-marine