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SOMMAIRE

Avant-propos……………………………………………………………………………………. p 3

Introduction……………………………………………………………………………………… p 4

Partie A : La cavitation mécanique…………………………………………………… p 6

I. Changement d’état et cavitation

II. La cavitation hydrodynamique

III. Partie expérimentale : cavitation dans une bouteille

IV. Exploitation des résultats

Partie B : La cavitation acoustique…………………………………………………….. p 17

I. La sonochimie

II. La sonoluminescence

III. Partie expérimentale

Conclusion…………………………………………………………………………………………… p 20

Sitographie et bibliographie……………………………….………………………………. p 21

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Avant-propos

Les membres de notre groupe ont participé, durant l’année 2015-2016, au projet de chimie durable

2CD21 (challenge défi chimie durable au 21ème siècle). Dans le cadre de ce programme nous avons

cherché à rendre la synthèse de la lidocaïne plus respectueuse des 12 principes de la chimie verte

qui sont :

➔ Prévention de la pollution

➔ Économie d’atome

➔ Synthèses moins nocives

➔ Produits moins toxiques

➔ Solvants et auxiliaires de synthèse moins polluants

➔ Limitation des dépenses énergétiques

➔ Utilisation de ressources renouvelables

➔ Limitation du nombre d’étapes dans la synthèse

➔ Utilisation de catalyseur

➔ Fabrication de produits dégradables facilement et peu polluants

➔ Réduction de la pollution avant, pendant et après la synthèse

➔ Réduction des risques en termes d’accidents, explosions, incendies, émission de composés

dangereux

La chimie, bien qu’à l’origine d’importantes modifications du niveau de vie de la population, a

progressivement terni son image suite à de nombreux accidents et incidents aux conséquences

écologiques et humaines lourdes. La chimie durable est vue comme une solution pour l’avenir et

permettrait ainsi de redorer l’image de cette branche de la science. A nos yeux, la chimie verte est

une prise de conscience au niveau globale de l’activité humaine sur l’environnement.

Durant nos recherches nous avons été amenés à réfléchir à différents procédés susceptibles

d’accélérer une réaction. Nos professeurs nous ont donc dirigés vers différents moyens d’y parvenir

notamment lors de notre visite du campus Bridoux (de l’université de Metz) lors de laquelle nous

avons découvert la sonochimie. Cette dernière permettait de réaliser des réactions chimiques à haut

rendement, sans apport de chaleur ou de catalyseurs afin de minimiser la quantité de déchets. Nous

avons trouvé cette solution très prometteuse puisqu’elle permet une économie d’énergie et de

temps notable ainsi qu’une limitation des produits chimiques. Elle représentait pour nous un

véritable exemple d’une chimie d’avenir respectant l’environnement. Cela nous a donc poussé à

débuter des recherches sur ce thème.

La sonochimie est en effet un domaine de la chimie étudiant les effets des ondes ultrasonores sur les

réactions chimiques. Les ondes ultrasonores et les molécules n’entrent néanmoins pas en contact

direct mais c’est le phénomène de cavitation acoustique qui est à l'origine des transformations

chimiques observées.

La sonochimie étant donc en lien direct avec le phénomène de cavitation et c’est pourquoi nous

avons cherché à en savoir davantage ce qui a mené à la formation de notre groupe pour ces

olympiades.

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Introduction

Il existe trois états de la matière :

● à l'état solide les atomes ou molécules sont fortement liés, la matière est difficilement

déformable,

● à l'état liquide les atomes ou molécules sont faiblement liés, la matière prend la forme du

contenant,

● à l'état gazeux les atomes ou molécules n’interagissent presque pas, la matière occupe tout

le volume disponible.

Dans la vie courante, nous modifions l'état d'un corps en faisant varier sa température. En effet, à

pression atmosphérique, en chauffant un corps à l’état solide, il fond puis se vaporise. De même en

refroidissant ce corps, il se liquéfie puis se solidifie. Ces changements d’états sont observés et

exploités au quotidien, notamment lors de la préparation des pâtes où l'on fait bouillir de l'eau.

Cette dernière peut aussi être transformée en glaçons. Tous les changements d’états sont des

processus qui engagent des valeurs élevées d’énergie. On parle de transformations exoénergétiques

et endoénergétiques, c'est à dire une transformation qui dégage ou qui absorbe de l'énergie.

Cependant, la température n’est pas le seul facteur permettant de changer l'état de la matière. À

travers nos expériences, nous avons observé que la pression influe elle aussi sur l’état de la matière :

il est possible de provoquer une vaporisation en diminuant la pression du gaz en équilibre avec le

liquide lors d’une détente par exemple, ou lors d’une action mécanique soudaine au sein du liquide

et dans ce cas, le phénomène est appelé cavitation.

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Lors de nos recherches, nous avons trouvé des photographies telles que celle ci-dessus sur laquelle

on peut observer une érosion anormale des hélices de certains bateaux. Nous avons été surpris

d’apprendre que ces dommages étaient dus à la cavitation puisque nous pensions qu’elle était

uniquement provoquée par des ultrasons.

De nombreux travaux sont actuellement en cours sur ce phénomène qui reste encore peu connu. On

peut par exemple lire dans la revue Sciences et avenir de mai 2015 que : « l’on cherche aujourd’hui à

mieux comprendre ce qui se trame au sein de ces nuages de bulles de cavitation, et ce afin de les

mettre mieux à profit. Et même si des progrès considérables ont été faits, beaucoup de mystères

restent à lever » d’après Sergueï Nikitenko, directeur du Laboratoire de sonochimie dans les fluides

complexes à Marcoule dans le Gard. En septembre 2016, l'actualité chimique n°410 en a fait son

thème principal.

Dans le cadre des olympiades de physique, nous avons donc cherché à effectuer des déterminations

quantitatives qui portent sur le phénomène de cavitation.

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Partie A : La cavitation mécanique

I. Changements d’état et cavitation

Comme nous l'avons vu précédemment, la méthode la plus courante pour changer l'état d'un corps

est la variation de température. Dans un diagramme d’état (qui fournit l’état d'un corps pur en

fonction de la pression P et de la température T), on constate qu'un déplacement horizontal

correspond à un changement d'état. On parle de changement d’état isobare, c’est à dire que l’on

maintient la pression extérieure constante.

On observe sur ce diagramme d’état des courbes qui décrivent les situations d’équilibres liquide-

vapeur, liquide-solide, solide-vapeur ainsi que le point triple.

Par exemple, le diagramme de phase de l’eau est le suivant :

Le phénomène de cavitation se traduit par un changement d’état : la vaporisation sans modification

de la température. En effet, on passe directement de l’eau liquide à de la vapeur d’eau.

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Remarques :

On relèvera qu’il existe des conditions particulières qui permettent le passage d’un état solide à un

état gazeux sans passage par l’état liquide, et même un état particulier nommé point triple qui

correspond à un état d’équilibre entre les trois états.

D'après ce type de diagramme, il est possible de changer d’état en effectuant des déplacements

verticaux. Par exemple sur le diagramme d’état de l’eau à une température de 200 °C, l'eau peut

être liquéfiée en augmentant la pression ambiante à une valeur de 15 bars. De la même manière, il

est possible de vaporiser de l'eau liquide à 50 °C en abaissant la pression à une valeur d’environ 0,12

bars. C’est précisément ce phénomène qui est à l'origine de la cavitation. Il s’agit d’un changement

d’état isotherme car la température est supposée constante durant le passage de l’état liquide à

l’état gazeux.

La manière la plus facile d’illustrer ces changements est de placer un bécher contenant de l’eau sous

une cloche à vide et d’observer une ébullition témoignant de la vaporisation de l’eau lorsque la

pression diminue, bien que la température de l’eau soit en-dessous de 100 °C.

Il a été possible au cours de cette expérience de faire bouillir de l’eau dont la température était de

63°C. D’après les tables thermodynamiques, qui donnent la température d’ébullition en fonction de

la pression, une ébullition à 63°C correspond à une pression sous la cloche de 230 hPa soit 0,23 bar.

Ce phénomène est connu des alpinistes car du fait de l’ascension, la pression de l’air diminue et l'on

peut faire bouillir de l’eau au sommet du Mont Blanc à une température proche de 80°C.

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II. La cavitation hydrodynamique

La cavitation décrit la naissance et, dans certains cas, l'oscillation radiale de bulles de vapeur au sein

d’un milieu liquide homogène (liquide dont les constituants ne peuvent être distingués les uns des

autres) qui peut être au repos ou en mouvement mais soumis à une diminution de pression. Si cette

diminution est importante, la pression peut devenir inférieure à la pression de vapeur saturante

(voir définition ci-après), et une bulle de vapeur est susceptible de se former. C’est donc la

conséquence d’une brusque modification des propriétés mécaniques du milieu liquide sous l’effet de

fortes contraintes, et il y aurait un seuil à partir duquel la cohésion du liquide ne pourrait plus être

assurée.

La pression de vapeur saturante est la pression de la phase gazeuse d’un corps pur en équilibre avec

sa phase liquide à une température donnée. Cette notion est liée à la tendance des molécules à

passer de l’état liquide à l’état gazeux bien que l’on ne soit pas à la température de changement

d’état du corps.

Dès que la pression d’un corps pur gazeux est localement plus faible que sa pression de vapeur

saturante, il y a immédiatement des molécules qui se vaporisent. La nature ne permet donc pas que

la pression d’une espèce chimique gazeuse demeure inférieure à sa pression de vapeur saturante.

C’est ce qui explique par exemple que l’eau s’évapore ou que du linge puisse sécher, et ceci,

d’autant plus rapidement que la température est élevée (car la pression de vapeur saturante de

l’eau augmente avec la température) et que le degré d’hygrométrie de l’air (rapport entre la

pression de la vapeur d'eau réellement présente dans l'air, appelée pression partielle de l'eau dans

l'air, et la valeur de la pression saturante de l’eau à la température considérée ) est faible.

Exemples de valeurs de la pression de vapeur saturante de l’eau en fonction de la température :

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Le phénomène de cavitation fut observé pour la première fois par Sir John Isaac Thornycroft (1843-

1928) et Sydney Walker Barnaby (1855-1925) sur l’hélice de leur sous-marin qui comportait des

impacts et s’usait très rapidement. Lord Rayleigh (1842-1919) expliqua l’érosion des hélices des

bateaux par la formation et la croissance de bulles gazeuses conséquente à la diminution de la

pression dans l’eau prévue par le théorème de Bernoulli, le tout suivi par une violente implosion.

De ce fait, un des problèmes récurrents auxquels se heurtent les navigateurs et fabricants de

bateaux à moteur est la corrosion anormalement rapide des hélices. En effet, dans certaines

conditions, des bulles apparaissent autour des hélices en mouvement, et celles-ci se retrouvent

couvertes d’impacts, essentiellement présents sur l’avant des pales. L’origine de la cavitation peut

être liée à un écoulement liquide à forte vitesse. Une zone à forte vitesse d’écoulement se

caractérise par une pression basse. Pour s’en convaincre on peut par exemple souffler entre deux

feuilles de papier proches et on constate qu’elles se rapprochent car la pression à l’extérieur des

deux feuilles est plus importante qu’entre les feuilles. D’après le théorème de Bernoulli, lorsqu'au

sein d'un écoulement la vitesse atteint localement des valeurs élevées, la pression du liquide chute

et peut tomber sous le seuil de pression de vapeur saturante. Dans ce cas, on observe localement

des phases de vaporisation du liquide. Les bulles de vapeur ainsi formées perturbent l'écoulement et

nuisent généralement au bon fonctionnement des dispositifs dans lesquels elles apparaissent

(pompes, hélices propulsives...). La migration de ces bulles vers des régions de plus haute pression

provoque leur implosion. Cette libération d’énergie est un facteur d'endommagement prématuré

des hélices puisqu’une onde de choc se forme autour de la zone d’implosion projetant un jet de

liquide puissant.

Zones de pression sur une hélice : on peut voir que les bulles prennent forme au niveau du

bord de fuite de chaque palle

Zone de très basse pression

Zone de basse pression

Sens du courant

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Formation d’un jet de liquide lors de la cavitation par effondrement de la bulle

La rotation des pales de l’hélice entraîne l’apparition d’un sillage de bulles ainsi qu'une couche de

vapeur accrochée à la zone de la pale où la pression est la plus faible. Cette cavitation peut être

perçue comme un handicap au niveau industriel, en effet elle diminue le rendement mécanique des

systèmes. L’apparition de ces bulles d’air “décollent” le filet d’eau autour de l’hélice, entraînant une

baisse significative de son efficacité. En plus de réduire l’efficacité des dispositifs dans lesquels elles

apparaissent l’implosion de ces bulles est source de bruit. Cela pose notamment problème pour

certaines applications du moteur à hélice notamment lorsqu’une discrétion maximale est recherchée

(par exemple pour les sous-marins). Enfin, ces implosions au voisinage des éléments métalliques

entraînent avec le temps un endommagement des surfaces.

Plus la pression est importante, plus il est difficile d’observer l’apparition de bulles. La baisse de

pression est proportionnelle à l’inclinaison de la pale. Le fait de moins l'incliner par rapport à un plan

horizontal aide à mieux répartir la pression sur la partie avant de l’hélice. On diminue alors la

différence de pression entre l’eau et la pale.

Il existe plusieurs moyens de limiter, voire d’éviter la cavitation. Tout d’abord, le fait de positionner

l’hélice plus en profondeur revient à augmenter la pression dans le milieu, car la pression dans un

liquide augmente proportionnellement à la profondeur à laquelle on se trouve dans ce dernier.

Ceci se traduit par la loi de l’hydrostatique :

𝑃 = 𝑃0 + 𝜌𝑔ℎ

➔ 𝑃0 la pression au niveau de la surface de l’eau

➔ 𝜌 la masse volumique de l’eau

➔ ℎ la profondeur

Du fait de la vapeur saturante, liée à la température, la cavitation sera plus difficile dans un milieu

plus froid. Une autre solution serait donc de refroidir les pales au cours de leur fonctionnement ainsi

que l’eau à proximité. Néanmoins, cette méthode ne semble pas adaptée, car le bateau étant en

mouvement perpétuel, l'eau ne serait pas refroidie assez vite et cela représenterait une perte

d'énergie considérable.

Ainsi le phénomène de cavitation se manifeste par l’apparition de bulles de vapeur aux niveaux des

points de pression minimale. Or, si ce phénomène n’est pas totalement maîtrisé, les bulles, dont la

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pression est largement inférieure à la pression ambiante, vont imploser et même réapparaître

périodiquement avec la répétition du phénomène. Au moment de l’implosion des bulles il y a

création d’une onde de choc. L’hélice s'abîme rapidement sous l'effet de ces ondes de choc. Les

trous observés sont donc la manifestation de l’implosion de ces petites bulles. Cela nous a conduit à

nous interroger sur la quantité d’énergie libérée par l’implosion d’une bulle ou plutôt d’un grand

nombre de bulles. La démarche est décrite dans la suite de notre travail.

III. Partie expérimentale

Pour observer la cavitation dans une bouteille, il faut créer une dépression au fond de celle ci. En

effet, cette baisse de pression entraîne une vaporisation de l’eau, responsable de l’apparition de

bulles. Lorsque la bouteille descend brusquement, l’eau, qui n’est pas directement frappée, va

conserver son inertie un certain temps, ce qui va créer du “vide” au fond de la bouteille. Ce “vide”

est en réalité de la vapeur d’eau à très basse pression.

Nous avons d’abord essayé de taper sur une bouteille avec la main protégée par des gants et étant

équipés de lunettes. On a ensuite remplacé la main par un marteau. Toutefois concernant la

répétition de l’opération, il nous a fallu réfléchir à quelque chose de plus rigoureux. On a donc

amélioré le montage en fabriquant un rail qui guide la chute d’une masse m de valeur connue.

Nous avons finalement imaginé l’expérience suivante. Nous avons fixé une bouteille de verre entre

les mâchoires d’une pince comme on peut le voir ci-dessous.

Nous avons réalisé l’expérience évoquée dans la première partie, consistant à transmettre une force

verticale au niveau du goulot d’une bouteille. Le choc peut être effectué de manière identique

plusieurs fois car nous avons ajouté un rail dans lequel coulisse un poids de masse m constante (m =

2,0 kg). Elle peut être libérée à une hauteur définie. L’expérience peut maintenant être reproduite

plusieurs fois dans les mêmes conditions.

Schéma de notre montage expérimental :

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Notre premier montage :

Amélioration du montage par ajout d’un rail et d’un poids :

La réaction au sein de la bouteille étant bien trop rapide pour être observée directement, nous

avons commencé par essayer d’obtenir des prises de vue à haute vitesse (1200 fps) à l’aide d’un

appareil photo de notre lycée. Nous avons ainsi pu observer le phénomène plus en détails à l’aide

des images ci-dessous. L’espacement entre chaque image est d’environ 0,8 ms.

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Pour tenter d’obtenir des images plus nettes, nous avons réalisé l’expérience sur des tubes à essais,

mais les résultats ne furent pas concluants, du fait de la petite taille des bulles créées.

Nous avons ensuite tenté d’établir un protocole reproductible plusieurs fois à l’identique, que voici :

- On verse 25 cL de liquide dans la bouteille.

- On fixe ensuite la bouteille au montage par deux pinces pour éviter qu’elle ne tombe sous

l’effet du choc. L’ensemble bouteille (voir schéma) est lui-même maintenu de part et d’autre

par des pinces, et est plongé en partie dans du sable afin qu’il absorbe une partie du choc,

sans quoi le goulot de la bouteille casserait.

- Le poids est lâché d’une hauteur constante de 50cm par rapport à la bouteille, de façon à ce

que l’énergie potentielle soit la même d’une expérience à l’autre.

Au cours de nos expériences, nous avons souhaité montrer que les bulles étaient constituées de

vapeurs d’eau, et non de gaz présents dans l’eau. En effet, l’eau contient à l’état liquide une part de

gaz dissous, qui aurait pu être à l’origine des bulles, comme on peut en observer dans un verre d’eau

pétillante. Afin d’éliminer cette hypothèse, nous avons réalisé nos expériences avec de l’eau

distillée, c’est-à-dire sans aucun gaz dissous. Les résultats sont les mêmes qu’avec de l’eau non

distillée.

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Nous avons enfin tenté de caractériser l’impact de la température sur la taille des bulles. Nous

avons donc effectué une série de 22 mesures, dont seulement 19 se sont révélées être exploitables.

Nous avons reproduit les mêmes conditions et filmé le tout, en ne faisant varier qu’un seul

paramètre : la température de 7 à plus de 70°C. Par la suite, nous avons reproduit l’expérience en

lâchant la masse de plus bas, et donc en diminuant l’énergie potentielle transmise à la bouteille.

Nous avons ensuite exploité les images à l’aide du logiciel Mesurim en mesurant le diamètre moyen

des bulles créées.

Pour finir, nous avons intégré les valeurs obtenues à une courbe représentant le diamètre en

fonction de la température. La courbe est commentée plus bas.

IV. Exploitation des résultats

Les calculs ont été effectués ci-dessous avec de l’eau distillée à 20°C, un volume d’eau de 25 cL, et un

diamètre intérieur de la bouteille de 5,5 cm. On détermine un diamètre moyen des bulles à 0,62 cm,

et une hauteur d’eau déplacée (la hauteur du cylindre considéré) à 1,19 cm en moyenne.

Le protocole est le même que pour les expériences décrites ci-dessus.

Calculons le volume total occupé par les bulles, avec 𝐶 la compacité d’un système cubique centré (ce

qui correspond au volume maximal occupé par des sphères dans un espace de volume donné) :

𝑉𝑏𝑢𝑙𝑙𝑒𝑠 = 𝑉𝑐𝑦𝑙𝑖𝑛𝑑𝑟𝑒 ⋅ 𝐶 =𝜋𝑑2ℎ

4⋅

𝜋√2

6≈ 20,9 𝑐𝑚3 = 2,09 ⋅ 10−5 𝑚3

On peut donc estimer le nombre de bulles créées lors de l’impact :

𝑁 =𝑉𝑏𝑢𝑙𝑙𝑒𝑠

𝑉𝑠𝑝ℎè𝑟𝑒=

20,9

43 𝜋𝑟3

=20,9

0, ,120≈ 174 𝑏𝑢𝑙𝑙𝑒𝑠

On a ensuite déterminé l’énergie 𝐸 libérée par l’implosion de l’ensemble des bulles :

𝐸 = 𝑉𝑏𝑢𝑙𝑙𝑒𝑠 ⋅ 𝑃𝑒𝑥𝑡 = 105 ⋅ 2,09 ⋅ 10−5 ≈ 2,1 𝐽

Avec une énergie potentielle 𝐸𝑝𝑝 = 2,0 ⋅ 10,0 ⋅ 0,50 = 10 𝐽, on constate que seulement un peu plus

de 20% de l’énergie est utilisée dans la formation des bulles ; le reste est vraisemblablement

transformé en énergie thermique, et transmis au sable par le biais de l’ensemble maintenant la

bouteille.

On obtient la puissance libérée, avec ∆𝑡 =5

1200 (en effet l’implosion des bulles se produit 5 images

consécutives après l’impact, le format d’enregistrement étant de 1200 images par seconde) :

𝑃 =𝐸

∆t=

2,1

51200

= 5,0 ⋅ 102 𝑊

Pour finir, nous avons tenté de déterminer la différence de pression entre l’intérieur et l’extérieur

d’une bulle grâce à la formule de Laplace, où 𝛾 est la tension superficielle de l’eau (à une valeur de

73 ⋅ 10−3 𝑁 ⋅ 𝑚−1 dans les conditions de l’expérience) :

∆𝑃 =2𝛾

𝑟=2 ⋅ 73 ⋅ 10−3

0,031= 47 𝑃𝑎

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Résultats d’une série de 19 expériences visant à déterminer l’impact de la température sur le

diamètre des bulles de cavitation

Comme on peut le voir sur le graphe représentant le diamètre des bulles (d en cm) en fonction de la

température (T en °C), à l’approche de températures très éloignées de la température ambiante, les

bulles grossissent. Ainsi, les écarts de température entre l’eau et l’atmosphère extérieure facilitent

sans doute la réaction de cavitation lors de l’impact. Ceci expliquerait notamment la forte

diminution du diamètre des bulles lorsqu’on se rapproche de la température ambiante (20°C le jour

de l’expérience).

Dans une eau très froide, la taille des bulles semble augmenter plus rapidement que dans une eau

très chaude : en effet, pour une diminution de 5°C, le diamètre est multiplié par deux. Nous ne

sommes cependant pas parvenus à trouver une explication plausible.

Une première surprise est de constater que le diamètre des bulles augmente et ne diminue pas

comme on pouvait s’y attendre à la lecture des premiers résultats obtenus pour des températures

0

0.5

1

1.5

2

0 10 20 30 40 50 60 70 80

Dia

mèt

re m

oye

n d

es b

ulle

s (e

n c

m)

Température de l'eau (en °C)

Evolution du diamètre des bulles de cavitation en fonction de la température de l'eau

h = 85cm h = 60cm

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

1.8

0 10 20 30 40 50 60 70 80

Dia

mèt

re m

oye

n d

es b

ulle

s (e

n c

m)

Température de l'eau (en °C)

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plus élevées. Nous avons cherché une explication et nous pensons qu’il y a coalescence des bulles à

basse température. Cette dernière est d’après nous plus difficile à obtenir pour des températures

plus élevées.

La seconde partie de la courbe admet une interprétation reposant sur l’augmentation du diamètre

avec la température. Il est toutefois difficile de relier le rayon à la température en appliquant la loi

des gaz parfaits car la transformation n’est pas une succession d’états d’équilibre (donc quasi-

statique). On ne connaît d’ailleurs pas la nature exacte de la transformation (adiabatique ?…).

L’approche thermodynamique est très compliquée car il s’agit de phénomènes hors équilibre.

Pour information, l’implosion des bulles de cavitation est caractérisée par des températures égales

ou légèrement supérieures à celle de la surface du Soleil, des pressions comparables à celles du fond

des océans, une durée de vie de l’ordre d’un éclair et par une vitesse de refroidissement un million

de fois plus rapide qu’une barre de fer chauffée à rouge plongée dans l’eau. En effet la densité

d'énergie atteinte dans certaines bulles donne lieu à des réactions chimiques inhabituelles, qui sont

étudiées dans le domaine de la sonochimie, et même dans certains cas à l'émission de lumière,

phénomène appelé sonoluminescence.

La crevette pistolet est un autre exemple concret de la cavitation. En effet, cette dernière possède

une pince qui, lorsqu’elle claque, produit une bulle de cavitation hydrodynamique.

Bulles de cavitation formées par la pince d’une crevette pistolet

Sur cette photo, on peut observer une crevette pistolet dont la pince vient de se refermer. La bulle

de cavitation produite par cette crevette implose violemment et lui permet ainsi de stupéfier, tuer

ou encore briser la coquille de sa proie ou de son ennemi. Pour cela, la température de l’eau monte

en un bref point chaud d’au moins 5000 kelvins et une forte détonation (environ 220 décibels)

retentit. La pince se ferme à une vitesse de 20 mètres par seconde, créant un jet d’eau d’une vitesse

de 30 mètres par seconde au minimum. Les rares aquariophiles à avoir tenté d’en élever en ont

d’ailleurs fait les frais, puisque leur “tir” est tellement puissant qu’il est capable de briser les vitres

d’un aquarium. Dans ces conditions extrêmes, il est possible d’observer chez cette crevette lors de

l’implosion de la bulle de cavitation l’émission brève de lumière.

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Partie B : La cavitation acoustique

I. La sonochimie

Comme nous l’avons expliqué au début de notre dossier, la sonochimie est un domaine de la chimie

étudiant les effets des ondes ultrasonores sur les réactions chimiques. L’interaction entre l'onde

ultrasonore et les molécules n’étant pas directe, c’est grâce au phénomène de cavitation que des

transformations chimiques s’opèrent. La variation de pression est responsable de la croissance de la

bulle et peut être provoquée par un champ acoustique de forte puissance ; on parle dans ce cas de

cavitation acoustique, phénomène à l’origine des transformations chimiques étudiées en

sonochimie.

Les ultrasons sont des ondes mécaniques qui possèdent toutes les particularités des ondes sonores

se propageant dans un milieu liquide, solide ou gazeux. On peut ainsi les caractériser par leur

fréquence f comprise entre 20 kHz et 200 MHz et leur amplitude P. Il a été observé de manière

générale, que les fréquences comprises entre 20 et 80 kHz (fréquence dites basses) favorisent les

effets physiques tels que les ondes de chocs et les micro jets, tandis qu’à des fréquence qualifiées de

hautes (entre 150 et 2000kHz) favorisent les effets chimiques se traduisant par la formation de

radicaux hydroxyles dans l’eau. En effet, cela a pour effet de casser les diverses liaisons covalentes

entre les éléments qui les constituent : on obtient des radicaux. Ces derniers peuvent se recombiner

en d’autres molécules afin de former de nouveaux produits.

Le principe de la cavitation acoustique est décrit sur le schéma ci-dessus. Lors de l’émission d’ondes

ultrasonores dans l’eau, on constate que la pression dans le milieu n’est pas uniforme. En effet il y a

apparition de zones de hautes et basses pressions. Dans les régions où la pression est la plus basse,

l’eau se transforme en vapeur et forme de petites bulles.

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Lorsque l'onde ultrasonique se propage dans un milieu liquide, elle crée des bulles de gaz ou de

vapeur qui grossissent avec le temps jusqu’à une taille limite où elles implosent en s’effondrant sur

elles-même. C’est cette implosion qui fournit l’énergie nécessaire aux transformations chimiques du

mélange.

La sonochimie peut s’effectuer grâce à un bain à ultrasons (en général à 20 kHz). L’objet contenant

les réactifs est placé dans l’eau de la cuve du bain à ultrasons. Les ondes émises se propagent donc

d’abord à travers l’eau avant de traverser la solution où les transformations chimiques auront lieu.

On peut aussi effectuer la sonochimie grâce à une sonotrode (en général entre 20 et 200 kHz) qui est

une pièce métallique restituant l’énergie vibratoire d’ultrasons à un élément. La pointe de la

sonotrode est immergée directement dans la solution contenant les réactifs. Les ondes, transmises

directement dans la solution, rendent la sonotrode plus efficace que l’autre méthode.

II. La sonoluminescence

La sonoluminescence est le phénomène qui convertit le son en lumière. Elle a été observée pour la

première fois en Allemagne à l’université de Cologne en 1930. La sonoluminescence est le résultat

de l’oscillation d’une ou plusieurs bulles piégées dans un milieu liquide soumis à un champ

acoustique ultrasonore. Les bulles formées suivent les phases de compressions et de

décompressions des ultrasons émis.

Etant donné que les bulles sont plus instables lorsqu’elles sont nombreuses, il est préférable, afin de

mieux observé ce phénomène, d’isoler une seule bulle. On peut ainsi observer un rayonnement

lumineux à l’œil nu pendant plusieurs minutes. Cependant il ne faut pas croire que la lumière est

émise en continue. En réalité elle est constituée de flashs qui correspondent à un cycle de

compression et de dilatation de la bulle.

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Pour comprendre l’origine de la sonoluminescence, il faut se pencher sur les mouvements de la

bulle, et notamment son comportement au milieu des ondes ultrasonores. Les ondes sonores sont

en fait des ondes de pression/décompression de la matière, et qui se propagent dans l’air mais aussi

les solides ou les liquides. Sous l’effet des ultrasons, notre bulle est donc soumise à des cycles qui

viennent modifier sa taille : le rayon de la bulle augmente lors d’une phase de décompression, et

rétrécit lors d’une phase de compression.

III. Partie expérimentale

Expérience que nous souhaitons réaliser

Il est possible d’observer le phénomène de sonoluminescence de façon expérimentale grâce à un

ballon rempli d’eau, auquel on accole deux haut-parleurs. On parlera en réalité de transducteurs qui

sont des dispositifs basés sur les propriétés des matériaux piézoélectriques. Un transducteur est un

appareil qui permet de convertir un signal électrique en onde mécanique ce qui permet notamment

de produire des ultrasons.

Création d’une onde ultrasonore grâce à un matériau piézoélectrique

Nous allons chercher à faire entrer en résonance le ballon à l’aide de fréquences appartenant au

domaine des ultrasons (entre 20 et 40 kHz). Le phénomène de résonance s’explique par une

augmentation de l'amplitude d'oscillation d'un système, sous l'influence d'impulsions régulières de

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fréquences voisines de la fréquence propre du système. Par exemple pour une balançoire, le

mouvement ne s'amplifie que si on lui communique des impulsions accordées sur ses modes

propres.

Nous devrons aussi placer ou créer dans le récipient une bulle, qui se stabilisera au centre du

récipient. Il serait alors théoriquement possible d’observer l’émission de lumière par la bulle, même

à l’œil nu. La bulle convertit donc bien l’énergie des ondes sonores en lumière.

Photographie d’une bulle émettant de la lumière grâce à cette technique

Nous avons également prévu une visite à l'université afin d’essayer d’observer la sonoluminescence,

ainsi que de réaliser une expérience pouvant témoigner de l’efficacité des ultrasons en tant que

catalyseur (sonochimie).

CONCLUSION

Nous avons réalisé des mesures qui nous ont permis de chiffrer la valeur de l’énergie libérée au

cours du phénomène de cavitation mécanique après avoir déterminé les rayons et le nombre de

bulles. Il apparaît que ce phénomène exoénergétique peut rapidement libérer des énergies

considérables. Or, on imagine aisément que les pales d’un bateau emmenées par un moteur, qui

développe des puissances de l’ordre de quelques dizaines de kW, engendrent un grand nombre de

bulles par cavitation dont l’implosion entraînera des ondes de chocs qui finiront par altérer l’hélice.

La cavitation a encore beaucoup de secrets à livrer, certains espèrent même pouvoir l’utiliser afin de

vaincre le cancer. Il y a encore beaucoup de questions sans réponses : que se passerait-il par

exemple si on changeait la nature du milieu (en remplaçant l’eau par une solution plus ou moins

dense) ?

Nous essaierons de répondre à cette question lors de la présentation orale.

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SITOGRAPHIE-BIBLIOGRAPHIE

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http://creatures.etranges.online.fr/?tag=sonoluminescence .

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2001, http://www.pourlascience.fr/ewb_pages/a/article-le-son-transforme-en-

lumiere-28453.php

•Céline Deluzarche, le son peut produire de la lumière, février 2006,

http://www.linternaute.com/science/environnement/est-ce-

que/06/sonoluminescence/sonoluminescence.shtml

•Lycéé des Flandres, Peut-on illuminer le son ?, 2015,

http://odpf.org/images/archives_docs/22eme/memoires/EquipeJ/memoire.pdf

•Marie Simonet, La magie des ultrasons : sonochimie et sonoluminescence, Centre de

vulgarisation de la connaissance, http://www.cvc.u-psud.fr/spip.php?article180

•https://www.youtube.com/watch?v=nP-l0Lgp4J4&index=1&lis t=PL8IrfCuSG4

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•https://www.youtube.com/watch?v=t8L-XjpOruc&index=6 &list=PLSqEmSsXR QDY

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•David Louapre, La sonoluminescence : une étoile dans un verre d’eau, 11/11/2013,

https://sciencetonnante.wordpress.com/2013/11/11/la-sonoluminescence-une-

etoile-dans-un-verre-deau/

•Ronan Behling, Nahla Araji et Grégory Chatel, Qu’est-ce que la sonochimie ?,

L’actualité chimique, septembre 2016, n°410, p 11-21.