Il existe une multitude de lois physiques expliquant et modélisant des phénomènes observables dans la vie courante. Il en existe d’autres qui définissent des phénomènes seulement observés en laboratoire, comme cette fameuse loi de Jurin en l’occurrence. Très connue dans le milieu scientifique, on s’interroger de toute part sur l’utilité de cette loi. En quoi celle-ci consiste et quel est son intérêt pour la science ou pour l’individu lambda ?
La loi de Jurin : son histoire et sa définition
La paternité de la loi de Jurin a été décernée au Docteur James Jurin. Médecin de carrière et scientifique de renom auquel on attribue aussi divers travaux pionniers autour de la gravité, ce découvreur éponyme de la loi de Jurin a continué les travaux d’Isaac Newton et d’autres chercheurs comme Francis Hauksbee, sur la capillarité.
Ladite loi est donc établie en 1718 au travers de l’étude de ce phénomène déjà observé par Léonard de Vinci, c’est-à-dire deux siècles auparavant. La loi de Jurin modélise le parcours d’un liquide à travers un tube capillaire. Plus précisément elle détermine le niveau auquel le liquide, de l’eau par exemple, monte dans un tube capillaire.
Capillarité et loi de Jurin
Dans certaines situations, les liquides peuvent avoir des comportements insoupçonnés, et qui s’avèrent contraires aux lois de la physique que le plus grand nombre connait. En l’occurrence, ils sont capables de défier la pesanteur en remontant dans une cavité très fine. Ce phénomène physique se dénomme : capillarité, et plusieurs faits l’illustrent :
- en plongeant le tube fin dit « capillaire » dans l’eau, celle-ci remonte dans le tube
- en passant une éponge sur une flaque d’eau ou d’autres liquides, une partie est aspirée
- en plongeant un sucre dans une tasse de café, il s’imbibe de café
La loi de Jurin définit ce phénomène, mais va aussi jusqu’à l’interpréter pour établir une formule physique. A noter qu’un bon nombre de paramètres participent au phénomène, et donc aussi à la validité de la loi de Jurin.
La formulation de la loi de Jurin
La loi de Jurin s’exprime comme suit :
h= (2y Cos (θ))/(r.ρ.g)
Avec les symboles :
- h pour hauteur à laquelle le liquide s’élève exprimée en cm
- y, la tension superficielle du liquide exprimée en N.m -1
- θ, l’angle de contact entre le liquide et la surface interne du tube, exprimé en °
- 𝜌, la masse volumique du liquide exprimée en g.cm-3
- r, le rayon du tube capillaire exprimé en mm
- g étant la force de la pesanteur, elle est invariable et vaut 9,81m.s-2
Voici quelques notions peu connues de tous, mais d’une grande importance dans la détermination de cette formule : la tension superficielle est la force qui existe entre les interfaces de deux milieux différentes (matériau, substances liquides, etc) presque en contact. Elle s’explique par l’existence de forces d’attraction ou de répulsion que s’exercent entre elles deux molécules.
l’angle de contact est formé par le contact d’une goutte de liquide avec la surface interne du tube. Il détermine la force d’étalement du liquide. D’autres variables entrent cependant en compte dans la validation de la loi de Jurin, sachant que l’expérience ayant donné cette formule était réalisée dans des conditions spécifiques.
Les conditions de la loi de Jurin
La loi de Jurin a d’abord été établie dans le cadre d’une expérience faite à température et à pression ambiante. Dans d’autres situations atmosphériques et climatiques, cette loi est donc inapplicable. Mais la validité même de la loi de Jurin est confirmée par la réunion de diverses autres conditions. En premier lieu, le diamètre du tube joue un rôle prépondérant : plus le rayon est petite, et pus l’eau s’élève dans le tube capillaire. La position du tube est aussi à prendre en compte, car s’il est positionné de façon oblique, l’on ne peut calculer que la hauteur à la verticale et non le niveau de l’eau le long du tube.
Utilité de la loi de Jurin
L’application de la loi de Jurin est multiple, sachant que la capillarité se retrouve dans une multitude de phénomènes. Il est par exemple important dans l’étude de l’humidité d’un sol, sachant que l’eau souterraine monte dans la croute par l’effet de la capillarité. Partant, cela importe pour le choix des matériaux de construction empêchant la fissure des murs. En dehors du bâtiment, l’étude de la capillarité et la loi de Jurin ne manquent pas d’applications en industrie textile, en médecine, en chimie, etc.
