Lorsqu'une goutte de café atteint la surface liquide de la tasse, une tour caractéristique de café se forme pendant très peu de temps, parfois même avec une nouvelle goutte sur le dessus. Dans un article paru dans Liquides d'examen physique aujourd'hui, une équipe de chercheurs d'Amsterdam, Delft et Paris jettent un nouvel éclairage sur cet effet complexe.

L'effet de formation de jet n'est pas particulier au café :le même effet peut être observé par exemple lorsqu'une goutte de pluie frappe un étang. Quand au lieu du café, une goutte de lait tombe sur une surface de café, un autre effet intéressant est observé :la tour de liquide sera majoritairement blanche. C'est-à-dire, ce n'est pas le café qui éclabousse vers le haut, c'est le lait qui « rebondit ».

Pas seulement la gravité

Cees van Rijn, auteur principal de la nouvelle publication, dit :"Une explication approximative de l'effet de formation de jet est connue depuis longtemps. Lorsqu'une gouttelette frappe la surface du liquide, la surface peut obtenir un « cratère d'impact » temporaire. Une fois que le liquide est revenu au centre de ce cratère, il n'a nulle part où aller que vers le haut, c'est ainsi que se forme le jet."

Cependant, malgré plus d'un siècle de recherches, les détails précis du processus n'étaient toujours pas clairs. En particulier, comprendre la vitesse variable avec laquelle le jet se déplace vers le haut était un peu une énigme. Lorsque les chercheurs ont étudié différents liquides à l'aide de lumière laser et de caméras rapides, ils ont découvert que juste après la formation, la vitesse des jets ralentit à un rythme incroyable. Van Rijn :« On pourrait s'attendre à ce que la principale raison pour laquelle le jet ralentisse soit à cause de la gravité tirant le liquide vers le bas. Cependant, nous avons observé que juste après la formation, la décélération peut être cinq à vingt fois plus forte que ce qui peut être expliqué par la gravité seule."

Construire un modèle

Les chercheurs ont supposé que le principal facteur responsable de ce ralentissement extrême était la tension superficielle du liquide, le même type de tension qui permet aux bulles de savon de se former. La couche externe de liquide sur la tour agit de manière similaire à une telle bulle, et sa courbure force le jet à ralentir et finalement à se contracter, beaucoup plus rapidement qu'on aurait pu s'y attendre en se basant uniquement sur la gravité. Van Rijn ajoute :« L'effet est à son maximum lorsque le jet est juste formé. Au moment où le liquide a atteint son point le plus élevé, la situation est essentiellement revenue à la normale :le liquide retombe avec au plus le double de l'accélération due à la pesanteur, et a perdu sa dernière accélération supplémentaire lorsque la surface est à nouveau atteinte. L'ensemble du processus complexe se déroule en environ un dixième de seconde."

Avec cette explication en tête, les physiciens ont entrepris de créer un modèle mathématique pour décrire la formation du jet. Le modèle utilise une autre propriété surprenante des jets :ils se ressemblent toujours à peu près, la hauteur et la largeur du jet varient dans le temps, mais à part ça, la forme ne change pas. Cette propriété d'« auto-similarité » a permis aux chercheurs de créer un modèle très précis, qui par rapport aux mesures sur différents liquides tels que l'eau, de l'éthanol et un mélange d'eau et de glycérol, correspondait très précisément à toutes les observations.

Dans l'espace

Les physiciens réfléchissent déjà à la prochaine étape de leur programme - en fait, ils envisagent d'emmener les expériences dans l'espace. Van Rijn :« Ce serait très bien de se débarrasser complètement de la gravité et de comprendre le rôle de la tension superficielle à elle seule. Nous aimerions faire notre prochaine série d'expériences dans la Station spatiale internationale pour voir ce qui se passe exactement dans un environnement sans gravité. ."