La science des ballons sur la nouvelle chaîne youtube du CNRS

Le CNRS vient de créer sa chaîne Youtube de vulgarisation scientifique Zeste de Science, et son premier épisode met à l’honneur des physiciens du département ! Cette première vidéo présente des travaux sur la fracture des matériaux dont le système modèle est… le ballon de baudruche.

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Chacun peut faire l’expérience : gonflez modérément un ballon de baudruche et percez-le avec une aiguille, vous obtiendrez deux gros fragments. En revanche, gonflez-le jusqu’à ce qu’il éclate spontanément et vous récolterez des dizaines de lambeaux. Sébastien Moulinet et Mokhtar Adda-Bedia du Laboratoire de Physique Statistique ont cherché à identifier et à décrire les conditions dans lesquelles chacun de ces mécanismes se produit. Plutôt que d’utiliser des ballons de baudruche, ils ont construit un dispositif dédié permettant de filmer, à des fréquences allant jusqu’à 60 000 images par seconde, l’explosion de feuilles de latex d’épaisseur contrôlée. Comme le montre la figure ci-dessous, une feuille de latex, fixée sur un cadre, est gonflée par une arrivée d’air. La rencontre du ballon avec une lame placée en face du cadre provoque son explosion. Ainsi, contrôler la position de la lame permet de maîtriser l’état du gonflement du ballon, et donc l’étirement de sa membrane au moment de la rupture.

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Les physiciens ont observé deux régimes d’explosions.

  • Tant que la membrane reste modérément tendue, une fracture unique se propage et coupe le ballon en deux. D’autre part, la vitesse à laquelle progresse la fissure croît avec la tension dans la membrane du ballon.
  • Au-delà d’une valeur seuil de la tension de la membrane, es fractures progressent à une vitesse limite. En contrepartie, c’est le nombre de fragments qui croît alors avec la contrainte. Record à battre : 64 fragments !


Ces observations montrent que la fragmentation est due à une instabilité dynamique : à partir d’une vitesse limite, une fissure unique devient instable et se divise. C’est donc par une cascade de divisions successives des pointes de fissures que se forme un vaste réseau arborescent, initialement né d’une fracture unique. La vitesse limite à laquelle se produisent ces embranchements, d’environ 570 m/s, pourrait correspondre à la vitesse du son dans la membrane.

Bien que ces résultats partent d’un questionnement ludique, ils permettent une meilleure compréhension des phénomènes génériques de fragmentation de matériaux soumis à des impacts ou à des explosions.

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Les deux mécanismes d’explosion d’un ballon de baudruche. A : mécanisme d’ouverture d’un ballon modérément gonflé. Une fissure progresse sur la membrane pour finalement la couper en deux. B : un ballon sous forte tension se désagrège en de nombreux lambeaux allongés. L’intervalle de temps entre chaque image est de 0,3 ms.

Référence : Popping balloons : A case study of dynamical fragmentation, S. Moulinet & M. Adda-Bedia, Phys. Rev. Lett. 115, 184301 (2015)
Contact chercheur : Sébastien Moulinet

Contact communication : L’équipe de communication du département