Les bulles de savon

Approche expérimentale

Nous allons détailler dans cette page les résultats des différentes expériences que nous avons réalisées en faisant varier la composition du mélange et la taille des bulles de savon.

Sommaire de cette page :
I) Influence du diamètre des bulles
II) Influence de la concentration en liquide vaisselle
III) Influence de la glycérine et du sucre
IV) Interprétation des résultats


Avant tout, il est important d’apporter quelques précisions en ce qui concerne notre démarche expérimentale. Nous avons réalisé ces différentes expériences dans le but de répondre à plusieurs questions qui nous ont permis d’obtenir des éléments de réponse nécessaires à la résolution de notre problématique de départ.

Lors de la réalisation de ces expériences, nous avons été confrontés à des difficultés comme la réalisation des bulles : une fois formées, les bulles tombent à terre et éclatent faussant ainsi les résultats obtenus. Nous avons cependant constaté que les bulles n’éclataient pas au contact de l’eau. Nous n’avons donc pas réalisé des bulles mais des demi-bulles à la surface de l’eau. Nous désignons ces demi-bulles comme des bulles particulières sans avoir déterminé s’il s’agissait exactement de demi-sphères. Notre priorité était avant tout de réaliser toutes les expériences dans les mêmes conditions afin d’obtenir des résultats cohérents et exploitables. Toutes les demi-bulles ont été réalisées selon ce protocole, ce qui nous permet d’obtenir des résultats exploitables dans notre raisonnement. Un second problème est apparu lors de la mesure du diamètre des bulles réalisées : nous avons jugé imprécise la mesure du diamètre des bulles à l’aide d’un double décimètre ce qui nous a conduit à utiliser un autre outil de mesure. Nous avons effectué les expériences dans un récipient en verre translucide. Cela nous a alors permis d'installer une graduation sous le récipient et ainsi de mesurer plus précisément le diamètre des bulles.  

Tout au long de nos expériences, nous avons utilisé le même produit vaisselle afin d’obtenir des résultats cohérents et exploitables. Il se peut que l’on obtienne des résultats différents en utilisant un autre liquide vaisselle ou un autre savon. Pour toutes les expériences, nous avons soufflé une grande quantité de demi-bulles dans le but d’obtenir des statistiques les plus précises et plus proches possible de la réalité. Chaque expérience nous a permis de mettre en relation des facteurs variables comme la composition, la taille de la bulle ou encore la température avec la durée de vie. Pour chaque expérience, nous avons fait varier une seule variable à la fois ce qui nous permet ainsi d’identifier et de valider le facteur responsable de la variabilité de la durée de vie de ces demi-sphères.

I) Influence du diamètre des bulles

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Cette première expérience consiste à faire varier le diamètre des bullles pour en observer une éventuelle évolution dans la durée de vie de celles-ci : le but est donc de prouver de façon expérimentale si oui ou non le diamètre de la bulle de savon et sa durée de vie sont correlés. Les résultats et les conjectures établies à la suite de cette expérience sont donc essentiels pour la résolution de notre problématique.

Pour ce faire, nous avons réalisé plusieurs séries de bulles en attribuant à chacune des bulles d'une même série un diamètre précis qui varie de 1 centimètre d'une série à l'autre. Afin d'obtenir une conjecture scientifique suffisamment précise, nous avons réalisé 7 séries de 35 bulles : nous avons donc fait varier le diamètre de la bulle de 2cm pour la première série à 8 cm pour la septième série. Ces 245 bulles de savon ont été réalisées dans les mêmes conditions expérimentales : nous avons constamment utilisé le même liquide vaisselle, réalisé des solutions de concentration parfaitement identiques (30% de liquide vaisselle et 70% d'eau) dans le même environnement avec une température aproximativement constante de 20°. Seule la taille des bulles varient donc durant cette expérience. Les résultats obtenus lors des expériences sont présentés sous forme de tableau puis regroupés dans un même diagramme :

 

 

 

 

 

 

 

Série n°1 : Les bulles ont un diamètre de 2cm.
On obtient une durée de vie moyenne
de 234 secondes.

 

 

 

Série n°2 : Les bulles ont un diamètre de 3cm.
On obtient une durée de vie moyenne
de 189 secondes.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Série n°3 : Les bulles ont un diamètre de 4cm.
On obtient une durée de vie moyenne
de 148 secondes.

 

 

 

Série n°4 : Les bulles ont un diamètre de 5cm.
On obtient une durée de vie moyenne
de 116 secondes.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Série n°5 : Les bulles ont un diamètre de 6cm.
On obtient une durée de vie moyenne
de 92 secondes.

 

 

Série n°6 : Les bulles ont un diamètre de 7cm.
On obtient une durée de vie moyenne
de 95 secondes.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Série n°7 : Les bulles ont un diamètre de 8cm.
On obtient une durée de vie moyenne
de 70 secondes.

 

 

 

 

 

 

 

 

Afin d'observer l'évolution de la durée de vie moyenne des bulles en fonction de leur diamètre, nous avons réalisé un histogramme représentatif de cette évolution avec la durée de vie moyenne de chacune des séries :

On observe une diminution significative de la durée de vie moyenne des bulles lorque l'on augmente le diamètre de celles-ci. Cette évolution nous amène alors à la conjecture suivante :

La taille de la bulle influe effectivement sur sa durée de vie : plus le diamètre d'une bulle est grand, plus sa durée de vie sera limitée.


II) Influence de la concentration en liquide vaisselle

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Cette seconde expérience consiste à faire varier la concentration de liquide vaisselle de la solution tout en observant une éventuelle évolution de la durée de vie moyenne de celles-ci. Pour ce faire, nous alllons réaliser 5 séries de 35 bulles en faisant varier la concentration de liquide vaisselle de la solution d'une série à une autre tout en mesurant la durée de vie de chacune des bulles. Elle a pour but de démontrer expérimentalement la présence d'une corrélation entre la concentration de la solution en liquide vaisselle et la durée de vie de la bulle et ainsi de répondre à une partie de notre problèmatique.

Pour cette expérience, toutes les bulles sont réalisées dans les mêmes conditions expérimentales à une température ambiante de 20° et ont un diamètre respectif de 2cm. Ainsi, seule la concentration en liquide vaisselle varie : la première série est réalisée à partir d'une solution composée de 10% de liquide vaisselle et 90% d'eau, la deuxième série est réalisée à partir d'une solution composée de 30% de liquide vaisselle et 70% d'eau, la troisième série est réalisée à partir d'une solution composée de 50% de liquide vaisselle et 50% d'eau, la quatrième série est réalisée à partir d'une solution composée de 70% de liquide vaisselle et 30% d'eau et enfin, la cinquième série de bulles est réalisée à partir d'une solution composée de 90% de liquide vaisselle et 10% d'eau. Afin d'obtenir des résultats précis et cohérents, on utlise le même liquide vaisselle pour toutes les solutions réalisées. Les résultats obtenus sont présentés sous forme de tableaux :

 

 

 

 

 

Série n°1 : La concentration en liquide
vaisselle de la solution est de 10%.
On obtient une durée de vie
moyenne de 201 secondes.

 

 

 

Série n°2 : La concentration en liquide
vaisselle de la solution est de 30%.
On obtient une durée de vie
moyenne de 234 secondes.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Série n°3 : La concentration en liquide
vaisselle de la solution est de 50%.
On obtient une durée de vie
moyenne de 166 secondes.

 

Série n°4 : La concentration en liquide
vaisselle de la solution est de 70%.
On obtient une durée de vie
moyenne de 53 secondes.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Série n°5 : La concentration en liquide
vaisselle de la solution est de 90%.
On obtient une durée de vie
moyenne de 25 secondes.

 

 

 

 

 

 

A partir d'un logiciel tableur, nous avons réalisé un histogramme représentant l'évolution de la durée de vie de la bulle en fonction de la concentration en liquide vaisselle de la solution. Cela permet une meilleure exploitation des résultats avec une approche plus globale des mesures obtenues :

On remarque une évolution marquée et irrégulière de la durée de vie moyenne des bulles en fonction de la teneur en liquide vaisselle de la solution : Les bulles qui ont la durée de vie la plus élevée sont celles pour lesquelles la solution a une teneur en liquide vaisselle de 10 et de 30% avec une durée de vie maximale atteinte aux environs de 30% de liquide vaisselle. Lorsque ce pourcentage augmente, la durée de vie moyenne mesurée diminue. Il y a donc bien une conjecture à établir entre la concentration en liquide vaisselle et la durée de vie des bulles :

La concentration en liquide vaisselle de la solution determine la durée de vie de la bulle de savon : les bulles ayant une durée de vie maximale sont celles dont la solution a une teneur en liquide vaisselle comprise entre 10% et 30%.

III) Influence de la glycérine et du sucre

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Suite à nos recherches effectuées préalablement sur le sujet, nous avons observé que l'ajout de substances comme la glycérine ou le sucre pouvait modifier et notamment allonger la durée de vie moyenne des bulles de savon. Nous avons donc voulu vérifier cette observation de façon expérimentale pour en ressortir notre propre conclusion et répondre à notre problèmatique.

Cette troisième expérience a donc pour but de mettre en évidence et de mesurer l'impact de l'ajout de sucre ou de glycérine sur la durée de vie des bulles de savon. Pour ce faire, nous avons réalisé 3 séries de 35 bulles de savon : Une serie de bulles témoin dont la solution comporte uniquement 30% de liquide vaiselle et 70% d'eau, une série de bulles dont la solution comporte 30% de liquide vaisselle, 60% d'eau et 10% de Glycérine, et une troisième série qui comporte 30% de liquide vaisselle, 65% d'eau et 5% de sucre. Nous avons choisi ces proportions car elles correspondent en moyenne aux proportions que nous avons pu trouver dans différentes sources au cours de nos recherches telles que par exemple les résultats du laboratoire interdisciplinaire de physique de Grenoble. Les mesures obtenues sont regroupées sous forme de tableaux :

Série témoin : La solution ne
contient que de l'eau et du
liquide vaisselle.La concentration
en liquide
vaisselle de la solution
est de 30%.On obtient une durée
de vie moyenne de 234 secondes.

 

Série n°2 : La solution est composée
de 30% de liquide vaisselle,
60% d'eau et 10% de Glycérine.
On obtient une durée de vie
moyenne de 288 secondes.

 

 

 

 

 

 

En comparant les résultats de la série témoin et de la série n°2 , on remarque que la durée de vie moyenne des bulles de la série n°2 est plus élevée que celle de la série témoin d'environs 53 secondes. Or, on sait également que le seul facteur qui varie de la série témoin à la série n°2 est l'ajout de glycérine. Donc on peut affirmer que cette augmentation significative de la durée de vie des bulles dans la série 2 est effectivement due à l'ajout de glycérine.

 

Série témoin : La solution ne
contient que de l'eau et du
liquide vaisselle.La concentration
en liquide
vaisselle de la solution
est de 30%.On obtient une durée
de vie moyenne de 234 secondes.

 

 

Série n°2 : La solution est composée
de 30% de liquide vaisselle,
65% d'eau et 5% de sucre.
On obtient une durée de vie
moyenne de 259 secondes.

 

 

 

 

Les résultats de la série n°2 témoignent d'une augmentation de la durée de vie moyenne des bulles par rapport à celles de la série témoin : 234 secondes pour la série témoin contre 259 secondes pour la série n°2 soit une différence de 25 secondes en moyenne. Le seul facteur variant de la série témoin à la série n°2 étant l'ajout de sucre dans la solution, il est forcément responsable de cette augmentation. Donc on peut en déduire que l'ajout de sucre dans la solution contribue à un allongement de la durée de vie des bulles.

A travers cette troisième expérience, on peut confirmer l'impact de la composition de la solution sur la durée de vie des bulles de savon. En effet, l'ajout de glycérine et de sucre à la solution rallonge la durée de vie des bulles de façon significative.

IV) Interprétation des résultats

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Les séries de résultats obtenues à l'issue de ces trois expériences présentent un caractère aléatoire par leur écart type relativement important. En effet, certaines valeurs pourraient paraître erronées du fait de leur éloignement important par rapport aux durées de vie moyenne obtenues dans chaque séries. Ces valeurs s'expliquent expérimentalement par la multitude de facteurs qui peuvent causer l'éclatement de la bulle. En effet, lors des expériences une bulle peut éclater sous l'effet de perturbations (vibration, mouvement d'air ...) qui altèrerait l'équilibre de celle-ci. De plus, les demi-bulles ont été réalisées à l'aide de pailles et nous avons constaté que le volume de liquide aspiré par la paille est variable mais ne sachant pas mesurer ce volume, cela donne également un caractère aléatoire à nos expériences. Nous avons cependant choisi de conserver tous les résultats obtenus lors des expériences pour obtenir des statistiques plus proche de la réalité.

A travers les résultats de la première expérience, nous avons constaté que plus le diamètre de la bulle est petit, plus la durée de vie de la bulle est grande. On peut tenter d'expliquer ce phénomène par les arguments suivants : pour les très grosses bulles, on peut penser que le poids de l'enveloppe de la bulle provoque la destruction de celle-ci (à partir d'un certain point la force de gravitation est supérieure à la résistance de l'enveloppe) on peut aussi penser que plus on fait grossir une bulle plus l'enveloppe de la bulle va être mince (il est difficile d'augmenter la quantité de matière dans l'enveloppe de la bulle en même temps qu'on augmente la taille de la bulle), la tension superficielle de la bulle est sans doute aussi un des facteurs qui explique ce phénomène, plus la bulle sera grande plus l'énergie de surface sera élevée et plus l'enveloppe de la bulle sera amenée à se rompre.

La composition de la bulle influe également sur sa durée de vie. En effet, nous avons pu le constater à la suite des expériences 2 et 3 :

On comprend que la teneur en liquide vaisselle de la solution joue un rôle crutial dans le fragile équilibre d'une bulle de savon puisque la bulle étant constituée d'une fine pellicule d'eau et de tensioactifs, s'il y a une proportion de savon trop importante dans la solution, le manque d'eau altèrera la stabilité de la bulle et causera un éclatement prématuré. Au contraire, s'il n'y a pas assez de savon, c'est le manque de tensioactifs qui causera l'éclatement de la bulle. Les expériences nous ont alors permis de trouver un équilibre entre la teneur en eau et en liquide vaisselle de la solution : 30% de liquide vaisselle et 70% d'eau.

Cependant l'augmentation de la durée de vie des bulles par l'ajout de sucre ou de glycérine dans la solution est un phénomène plus complexe. En effet, le glycérole ou glycérine, miscible dans un solvant polaire tel que l'eau va épaissir la solution et contribuer à l'augmentation de la stabilité de la bulle en ralentissant l'écoulement de l'eau dans l'enveloppe de la bulle. Le sucre quant à lui va contribuer à épaissir le mélange et à retarder l'évaporation de l'eau dans la bulle et donc retarder son éclatement.


Conclusion de la partie expérimentations

La durée de vie de la bulle de savon dépend donc de son diamètre et de sa composition, qui prend en compte la teneur en liquide vaisselle de la solution mais aussi ses différents constituants comme la glycérine et le sucre. On peut cependant supposer de façon intuitive que d'autres facteurs tels que la qualité de l'eau, la température de l'air ou le taux d'humidité influent également sur cette même durée de vie puisqu'une température trop élevée et un taux d'humidité trop faible accentuerait l'évaporation de la membrane de la bulle. Les résultats des expériences réalisées nous permettent donc de proposer la composition de la solution qui nous semble la plus propice à la fabrication de bulles durables : 25% de liquide vaisselle, 5% de sucre, 10% de glycérine et 60% d'eau.