La recherche scientifique produit souvent des visuels saisissants, et les lauréats de cette année de la Gallery of Soft Matter Physics ne font pas exception. Sélectionnées lors de la réunion de mars de l’American Physical Society la semaine dernière à Las Vegas, Nevada, les vidéos gagnantes présentaient l’effet Cheerios, la physique des sabots et l’exploitation de la physique derrière les larmes de vin pour faire durer les bulles plus longtemps. Les soumissions ont été jugées sur la base à la fois de leurs qualités visuelles saisissantes et de leur intérêt scientifique. Le concours de la galerie a été créé l’année dernière, inspiré en partie par l’énorme succès annuel de la société Gallery of Fluid Motion. Les cinq lauréats de cette année auront la chance de présenter leur travail lors de la réunion de mars de l’année prochaine à Minneapolis, Minnesota.

Céréales de sirène

Comme nous l’avons déjà signalé, «l’effet Cheerios» décrit la physique qui explique pourquoi ces derniers petits «O» savoureux de céréales ont tendance à s’agglutiner dans le bol: soit en dérivant vers le centre, soit vers le bord extérieur. L’effet peut également être trouvé dans des grains de pollen (ou des œufs de moustiques) flottant au-dessus d’un étang ou de petites pièces flottant dans un bol d’eau. Le coupable est une combinaison de flottabilité, de tension superficielle et de ce qu’on appelle «l’effet ménisque». Tout cela s’ajoute à un type d’action capillaire. En gros, la masse des Cheerios est insuffisante pour casser la tension superficielle du lait. Mais il suffit de faire une petite entaille à la surface du lait dans le bol, de sorte que si deux Cheerios sont suffisamment proches, ils dériveront naturellement l’un vers l’autre. Les « bosses » fusionnent et les « O » s’agglutinent. Ajoutez un autre Cheerio dans le mélange, et lui aussi suivra la courbure du lait pour dériver vers ses compagnons « O ».

Mesurer les forces réelles en jeu à une si petite échelle est intimidant, car elles sont à peu près à la même échelle que le poids d’un moustique. En règle générale, cela se fait en plaçant des capteurs sur des objets et en les mettant à flot dans un conteneur, en utilisant les capteurs pour dévier le mouvement naturel. Mais les Cheerios sont suffisamment petits pour que cette approche ne soit pas réalisable. Ainsi, Alireza Hooshanginejad, post-doctorant à l’Université Brown, et ses cohortes ont utilisé deux disques en plastique imprimés en 3D, à peu près de la taille d’un Cheerio, et ont placé un petit aimant dans l’un d’eux. Ensuite, ils mettent les disques à flot dans une petite cuve d’eau, entourés de bobines électriques, et les laissent dériver ensemble (attraction). Les bobines produisaient à leur tour des champs magnétiques, éloignant le disque magnétisé de son partenaire non magnétisé (répulsion).

Hoshianginejad et coll. ont pu dériver une loi d’échelle à partir de leurs expériences reliant la force de l’action capillaire dans l’effet Cheerios à la masse, au diamètre et à l’espacement des disques. Par exemple, ils ont découvert qu’à un certain espacement entre les disques, les deux forces opposées s’équilibrent, de sorte que les disques s’installent dans une impasse. Ils ont également noté que certains motifs se formaient dans des conditions différentes. Par exemple, la répulsion est la force dominante lorsque la densité des particules est faible, de sorte que les particules forment un réseau cristallin. Augmentez la densité et la force d’attraction gagne du terrain car les particules sont plus proches les unes des autres. C’est alors que les particules forment des amas. Augmentez encore plus la force d’attraction et les particules formeront des rayures.