Les bulles se forment, et coalescent, en formes globulaires, parce que ces formes sont à un état d’énergie inférieur. Pour la physique et la chimie derrière cela, voir nucléation.
ApparenceEdit
Les bulles sont visibles parce qu’elles ont un indice de réfraction (IR) différent de la substance environnante. Par exemple, l’IR de l’air est d’environ 1,0003 et celui de l’eau est d’environ 1,333. La loi de Snell décrit comment les ondes électromagnétiques changent de direction à l’interface entre deux milieux ayant un IR différent ; ainsi, les bulles peuvent être identifiées à partir de la réfraction et de la réflexion interne qui les accompagnent, même si le milieu immergé et le milieu immergeant sont tous deux transparents.
L’explication ci-dessus ne vaut que pour les bulles d’un milieu immergées dans un autre milieu (par exemple, des bulles de gaz dans une boisson gazeuse) ; le volume d’une bulle de membrane (par ex. bulle de savon) ne déformera pas beaucoup la lumière, et on ne peut voir une bulle de membrane qu’en raison de la diffraction et de la réflexion en couche mince.
ApplicationsEdit
La nucléation peut être intentionnellement induite, par exemple pour créer un bubblegramme dans un solide.
En imagerie médicale par ultrasons, de petites bulles encapsulées appelées agent de contraste sont utilisées pour améliorer le contraste.
En impression thermique par jet d’encre, les bulles de vapeur sont utilisées comme actionneurs. Elles sont occasionnellement utilisées dans d’autres applications microfluidiques comme actionneurs.
L’effondrement violent des bulles (cavitation) près des surfaces solides et le jet d’impact qui en résulte constituent le mécanisme utilisé dans le nettoyage par ultrasons. Le même effet, mais à plus grande échelle, est utilisé dans les armes à énergie focalisée telles que le bazooka et la torpille. Les crevettes pistolet utilisent également comme arme une bulle de cavitation qui s’effondre. Le même effet est utilisé pour traiter les calculs rénaux dans un lithotripteur. Les mammifères marins tels que les dauphins et les baleines utilisent les bulles pour se divertir ou comme outils de chasse. Les aérateurs provoquent la dissolution du gaz dans le liquide en injectant des bulles.
Les ingénieurs chimistes et métallurgistes s’appuient sur les bulles pour des opérations telles que la distillation, l’absorption, la flottation et le séchage par pulvérisation. Les processus complexes impliqués nécessitent souvent de prendre en compte le transfert de masse et de chaleur, et sont modélisés à l’aide de la dynamique des fluides.
La taupe à nez étoilé et la musaraigne d’eau américaine peuvent sentir sous l’eau en respirant rapidement par leurs narines et en créant une bulle.
PulsationEdit
Lorsque les bulles sont perturbées (par exemple lorsqu’une bulle de gaz est injectée sous l’eau), la paroi oscille. Bien qu’elle soit souvent masquée visuellement par des déformations de forme beaucoup plus importantes, une composante de l’oscillation modifie le volume de la bulle (c’est la pulsation) qui, en l’absence d’un champ sonore imposé de l’extérieur, se produit à la fréquence naturelle de la bulle. La pulsation est le composant le plus important de l’oscillation, d’un point de vue acoustique, car en changeant le volume du gaz, elle modifie sa pression et entraîne l’émission de sons à la fréquence naturelle de la bulle. Pour les bulles d’air dans l’eau, les grandes bulles (tension superficielle et conductivité thermique négligeables) subissent des pulsations adiabatiques, ce qui signifie qu’aucune chaleur n’est transférée du liquide au gaz ou vice versa. La fréquence naturelle de telles bulles est déterminée par l’équation:
f 0 = 1 2 π R 0 3 γ p 0 ρ {\displaystyle f_{0}={1 \over 2\pi R_{0}}{\sqrt {3\gamma p_{0} \over \rho }}}
where:
- γ {\displaystyle \gamma }
est le rapport de chaleur spécifique du gaz
- R 0 {\displaystyle R_{0}}.
est le rayon à l’état d’équilibre
- p 0 {\displaystyle p_{0}}
est la pression en régime permanent
- ρ {\displaystyle \rho }
est la densité de masse du liquide environnant
Pour les bulles d’air dans l’eau, les plus petites bulles subissent des pulsations isothermes. L’équation correspondante pour les petites bulles de tension superficielle σ (et de viscosité liquide négligeable) est
f 0 = 1 2 π R 0 3 p 0 ρ + 4 σ ρ R 0 {\displaystyle f_{0}={1 \over 2\pi R_{0}}{\sqrt {{3p_{0}}. \over \rho }+{4\sigma \over \rho R_{0}}}}}
