Pourquoi la surface de l'eau est-elle horizontale ?

La question

Une fois de plus, la question n'est pas compliquée à appréhender et chacun pourra s'en convaincre: à notre échelle, la surface de l'eau -plus généralement de tous les liquides- présente une surface parfaitement plane et horizontale. Lorsque deux récipients différents sont mis en contact, le liquide qu'ils contiennent s'égalise pour reformer une surface plane et horizontale. Cette propriété physique caractéristique des liquides permet notamment la création d'écluse. Mais savez-vous pourquoi la surface des liquides est plane et horizontale?
 
flaque

La réponse

Avant de répondre, nous allons commencer par mettre des noms sur certaines propriétés des matériaux.
 
Tout d'abord, voyons ce qu'est un liquide! La matière a trois états communs: liquide, solide et gazeux. Ces états sont définis notamment par les liaisons entre les molécules qui composent le matériau et leur concentration. Un liquide ou un solide présentent des molécules très serrées ce qui les rend difficilement compressibles. En revanche dans un gaz, l'espace entre les molécules est important et leur cohérence faible (les molécules ne sont pas liées) : le gaz se disperse et est compressible.
 
Un liquide présente donc des molécules serrées, liées (le liquide ne se disperse pas comme un gaz) mais dont la cohérence est suffisamment faible pour être facilement déformable.
 
L'état liquide, est une forme de matière dans laquelle l'énergie cinétique des molécules est insuffisante pour rompre leur forces de cohésion, mais tout de même suffisante pour leur permettre de bouger spontanément les unes par rapport aux autres.
 
Plus concrètement : l'énergie cinétique est l'énergie qu'un objet possède du fait de sa vitesse. Ici, nous nous intéressons à la vitesse des molécules dans le liquide issu du mouvement Brownien. Cette énergie est suffisamment importante pour que la molécule puisse bouger par rapport à ses voisines, c'est ce qui permet au liquide de prendre la forme du récipient qui le contient. Cette même énergie cinétique est toutefois trop faible pour permettre  la molécule de "quitter" le liquide. Il n'est donc pas volatil, pas besoin de couvercle, votre café ne va pas s'envoler! Cette capacité à s'écouler se nomme fluidité, par opposition à la viscosité qui est la résistance à l'écoulement.
 
Notre liquide est donc fluide et, peu importe sa forme d'origine, il va pouvoir, une fois transvasé, s'égaliser en une surface plane et horizontale. Si nous avons expliqué pourquoi il peut le faire, voyons maintenant ce qui concrètement crée cette surface horizontale.
 
Intéressons-nous à une toute petite partie du liquide contenu dans un bol dont l'eau est au repos (elle ne bouge plus). Sur ce petit volume de liquide, deux forces agissent: son poids qui -du fait de la pesanteur- le tire verticalement vers le bas, et les forces de cohésion qui lient ce bout de volume au reste de liquide du bol.
Si l'on réduit le petit volume considéré à la taille d'une molécule, c'est pareil. Sur chacune des molécules du liquide s'exercent deux forces: le poids et la résultante des forces de cohésion.
Error
Comme nous l'avons vu, si ces forces de cohésion disparaissaient, notre liquide dans le bol se transformerait en gaz. C'est ce qui se passe lorsque l'on chauffe. Les molécules se déplacent alors plus rapidement au sein du liquide et l'énergie cinétique qu'elles acquièrent casse les  liaisons entre ces molécules. En refroidissant, au contraire, les forces de liaisons deviennent nettement supérieures à l'énergie cinétique issue du mouvement brownien: de la glace se forme.
La surface des océan est sphérique
D'un point de vu de la Terre, la surface des océans est sphérique.
Chaque point de la surface est à égale distance du centre de la Terre. Peut importe où l'on se trouve, le "bas" est toujours le centre du globe !
 
Et dans l'affaire, pourquoi la surface est-elle horizontale?
Parce qu'à la surface du liquide, la pression de l'air agit en plus de ces deux forces, et que toutes les trois doivent s'égaliser pour que le liquide soit au repos (2ème loi de Newton). La seule solution? Que toutes les molécules de la surface se placent sur une même horizontale. Ainsi, la pression atmosphérique qui s'exerce dessus est la même en tout point et le poids également. Il vous suffit maintenant de vous convaincre que vis-à-vis de la gravité, une même horizontale signifie que chaque point est à égal distance du centre de la terre. D'un point de vue de la terre, c'est une sphère. Voilà pourquoi la surface des océans est sphérique. Elle constitue pour la terre une même horizontale (nommée niveau 0). En l'absence de vent et d'agitation exterieure de l'eau, sa surface serait donc totalement plane et lisse.
Error
Tout liquide est soumis à ce phénomène, même si sa viscosité est importante. Ainsi, si vous brassez un yaourt pour y faire de petites pointes, celles-ci vont s'affaisser pour finir par s'aplanir en une surface horizontale.
 
Ménisques concaves et convexes
Ménisques concave et convexe dans un tube à essai en verre
A: ménisque creux de l'eau
B: ménisque bombé du mercure
Une dernière précision pour les plus tatillons:
Dans tout récipient il apparaît un effet de bord qui se traduit dans le cas d'une faible surface libre (comme dans un tube à essai) par un ménisque. Cet effet de bord n'invalide pas notre explication précédente, mais en découle au contraire. Pour un volume de liquide au contact de la paroi, il s'ajoute dans notre bilan la force d'adhésion du liquide avec le matériau constituant la paroi. Le ménisque apparaît donc lorsque la force d'adhésion et la force de cohérence ne sont pas égales. Si la force d'adhésion est supérieure, le liquide "remonte" sur la paroi et le ménisque est concave (creux), c'est le cas de l'eau. En revanche, si la force de cohésion est supérieure, le ménisque est convexe (bombé) comme dans le cas du mercure.
 
En résumé...
 
Les molécules d'une eau au repos sont soumises à la surface à trois forces:
- le poids, issu de la gravité de la Terre
- la pression atmosphérique
- les forces d'interaction avec les autres molécules d'eau
L'eau étant au repos, les trois forces vont chercher à s'égaliser. La position de stabilité pour cela est de positionner chaque molécule de la surface à égale distance du centre de la Terre. Elles sont alors toutes à la même hauteur et subissent donc un même poids, une même pression atmosphérique et les mêmes forces de cohésion. La surface est donc horizontale: plat en apparence pour un humain mais le long d'une ligne sphérique géante d'un point de vu de la Terre.

Pour aller plus loin...

- principes de physique niveau secondaire
 
 
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