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Bonjour,

Une question à propos de la tension superficielle me pose problème depuis un moment.

Autant je pense comprendre son origine en terme d'énergie de surface, autant je ne vois pas d'où vient, "microscopiquement", la tension (ie. la force) à proprement parler.

Pour être le plus clair possible, j'ai pris un peu de temps pour faire des schémas, ils sont normalement joints au message (tout en bas).

Je vous résume ce que je pense avoir compris et à la fin, quel est mon soucis.



- La première image : "Forces Van der Waals.png" est un schéma que l'on trouve dans de nombreux ouvrages et qui explique pourquoi une molécule à la surface d'un liquide possède plus d'énergie qu'une molécule en profondeur :
Les petites flèches noires représentent les forces de Van der Waals qui assurent la cohésion du liquide.
En surface les molécules n'ont pas autant de cohésion que les molécules en profondeur, elles possèdent donc un surplus d'énergie.
On définit alors la tension superficielle qui représente l'énergie en surplus par unité de surface.

- La deuxième image : "Forces Van der Waals - Force.png" représente, pour une molécule en surface, la force surfacique de Van der Waals totale due à toutes les molécules aux alentours.

- La troisième image : "Force capillaire - Cadre.png" représente une expérience classique qui permet de passer simplement de la vision énergétique à la vision "tension superficielle" (et donc à la notion de force).
Il s'agit d'un film de savon qui s'est formé sur un cadre métallique en U fermé par une tige mobile.
Si on veut faire bouger la tige de , la variation d'énergie potentielle vaudra (où le facteur 2 est du au fait qu'il y a deux surfaces dans le film).
Par analogie avec la formule , on définit , la force linéaire qui s'exerce sur un côté de la tige et qui est dirigée suivant l'intérieur de la surface.

- La quatrième image : "Cadre 3D - Force capillaire.png" représente ces deux forces de part et d'autre du film de savon (chacune).

- Enfin, la cinquième image : "Cadre 3D - Van der Waals.png" essaye de combiner la première image et l'expérience du film de savon sur le cadre métallique.

Je cherche à retrouver "microscopiquement" la forme de en considérant uniquement les forces de Van der Waals et en oubliant l'énergie.
On pourrait croire que "microscopiquement" le déplacement de la tige vers l'intérieur de la surface est du aux forces de Van der Waals qui "rappellent" vers l'intérieur les molécules qui sont sur le bord de la tige.
Mais ça m'étonnerait que cette vision soit juste : déjà il s'agirait d'une force surfacique et non linéaire comme l'est (le facteur 2 n'aurait donc aucune raison d'apparaitre, et au contraire l'épaisseur du film devrait jouer un rôle ce qui n'est manifestement pas le cas), en plus le qui intervient dans la force est en réalité alors que d'après mon dernier schéma il faudrait faire intervenir


Et c'est là que je ne comprend plus rien. Comment des forces de Van der Waals qui ont tout l'air d'être normales à la surfaces (schéma 1 et 2) se débrouillent pour donner naissance à une force tangentielle ?

Qu'est-ce qui, "microscopiquement", est responsable de la tension superficielle ?



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Je pense que dès le départ ma vision des choses est fausse.

Par exemple, d'après le schéma 2, la surface d'un liquide subit une force normale vers l'intérieur. Pourquoi la surface ne s'effondre-t-elle pas dans ce cas ? La résultante des forces sur la surface doit être nulle lorsqu'elle est au repos. Mais quelles sont les forces qui s'opposent à la force résultant de toutes les interactions de Van der Waals ?

Peut-être qu'il n'y a tout simplement pas de force de Van der Waals résultante, peut-être que le potentiel d'intéraction entre deux molécules est de type Lennard-Jones et que chacune est dans un puits de potentiel. Si c'était le cas, chaque molécule serait bien à l'équilibre sans subir de forces mais en ayant quand même une énergie plus basse en profondeur qu'en surface.

Ca m'arrangerait bien, ça rendrait les dessins 1,2 et 5 faux. Mais ça n'expliquerait toujours pas l'origine microscopique de la tension superficielle.

Pour ceux qui ont une idée, je suis preneur. J'ai cherché un peu partout (dans ce forum même, internet en général, Bruhat, De Gennes ...) et le passage de l'énergie à la force est toujours fait de la même façon sans que je comprenne mieux.
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