Pourquoi les bulles sont-elles rondes ?

La plupart des objets tridimensionnels qui sont parfaitement ronds dans toutes les directions sont appelés sphères. Par conséquent, on dit que les bulles sont sphériques.

La plupart des choses qui sont sphériques sont formées de cette façon pour deux raisons :

Les forces qui poussent sur la bulle de l’intérieur et de l’extérieur sont égales dans toutes les directions, ce qui fait que la surface est complètement lisse et uniforme, sans coins ni bords
L’élément situé à l’intérieur de la bulle veut minimiser son contact avec l’élément situé à l’extérieur de la bulle, peut-être en raison de forces répulsives (comme lorsque l’on maintient deux aimants positifs ensemble). Par exemple, comme l’eau et l’huile ne se mélangent pas parce qu’elles se repoussent, si de l’huile est ajoutée à l’eau, l’huile formera de petites bulles presque sphériques.

Pourquoi les bulles sont rondes ? — Une bulle givrée de forme ronde entourée de flocons de neiges (qui eux sont des figures fractales)

Les bulles sphériques minimisent la quantité de contact entre les substances intérieures et extérieures, car les sphères ont la plus petite surface de toutes les formes, pour un volume donné. Si nous analysons une sphère (comme une bulle) et un cube (comme une boîte) qui ont exactement le même volume (ou qui peuvent contenir la même quantité à l’intérieur), la sphère aura une surface beaucoup plus petite que la boîte. Si la substance à l’intérieur de la bulle est repoussée par la substance à l’extérieur de la bulle, la substance à l’intérieur de la bulle tentera de se regrouper en une forme qui minimise son contact avec l’extérieur et formera ainsi une bulle sphérique. La force qui tire la substance à l’intérieur d’une bulle et tente de maintenir la forme sphérique est appelée tension superficielle.

Gardons à l’esprit que pour les deux explications ci-dessus, les bulles sphériques ne se forment généralement que si la substance est un fluide (quelque chose qui coule, comme un liquide ou un gaz) et peut être pliée et formée en une sphère par les forces qui la poussent. Les gouttes de pluie sont en un sens un type de bulle, car l’eau est repoussée par l’air environnant et forme une sphère. Mais il existe de nombreuses bulles qui ne sont pas sphériques.

Si une bulle se déplace dans un autre fluide, elle peut perdre sa forme sphérique (ronde) parce que les forces qui poussent sur la bulle depuis l’extérieur changent lorsqu’elle se déplace dans un gaz ou un liquide. Par exemple, les bulles d’air qui sont expirées sous l’eau (comme dans le cadre de la plongée) sont moins denses que l’eau et sont repoussées par celle-ci, de sorte qu’elles forment des bulles sphériques qui commencent à remonter à la surface. Lorsque les bulles remontent à la surface, elles se dilatent et sont repoussées par l’eau au-dessus d’elles qu’elles traversent. Si les bulles sont assez grosses et montent assez vite, la force de l’eau qui pousse contre le sommet de la bulle fait que les plus grosses bulles s’aplatissent. Ces bulles prennent la forme d’un bol, avec un sommet arrondi et un fond aplati. Cet effet d’aplatissement se produit également pour les grosses gouttes de pluie qui tombent du ciel et sont aplaties par la force de l’air qui les pousse depuis le bas. Les grosses bulles de dioxyde de carbone qui se forment et montent dans une bouteille de soda après son ouverture s’aplatissent probablement aussi de cette manière.

L’aplatissement des bulles ne se produit que pour les gouttes de pluie et les bulles d’air les plus grosses lorsqu’elles se déplacent, car pour que les forces qui poussent sur l’extérieur de la bulle la fassent s’aplatir, elles doivent dépasser la tension superficielle qui tente de donner à la goutte une forme sphérique afin de minimiser sa surface.

La force du fluide poussant contre l’extérieur de la bulle ou de la goutte de pluie n’est supérieure à la tension superficielle que pour les bulles et les gouttes de pluie plus grosses. En effet, les plus grosses s’élèvent (dans le cas des bulles) ou tombent (dans le cas des gouttes de pluie) plus rapidement que les petites et la force exercée sur leur extérieur est donc plus grande.