III. Le gerris, un insecte défiant les lois de la physique

Qu'est-ce qu'un gerris ?

     Le gerris, plus couramment appelé «araignée d'eau», est un insecte hémiptère appartenant à la famille des punaises. Il est très petit (sa taille peut aller jusqu'à 2 cm) et également très léger (sa masse ne dépasse pas quelques grammes). De la famille des hexapodes, il possède donc six pattes  : deux se situent vers sa tête et sont relativement courtes et les quatre autres (de taille à peu près égale à celle de son corps) se situent de part et d'autre de ce dernier en formant un X.

Bilan des forces s'exerçant sur le gerris:

-  Le poids p : en moyenne, le gerris a une masse égale à 2,0 g. Il sera donc soumis à son poids dirigé suivant la verticale vers le bas avec une intensité p = m x g  = 2,0 x 10^-2 N.

- La poussée d'Archimède de l'eau : le gerris semble flotter sur l'eau. Généralement, cette flottaison est liée à la poussée d'Archimède. Mais par définition, la poussée d'Archimède est la force exercée par un fluide  ( air, eau etc...) sur un objet immergé dans ce dernier. Elle s'exerce suivant la verticale vers le haut avec une intensité égale au poids du volume de fluide déplacé. En observant attentivement notre gerris, on remarque qu'il n'est pas plongé dans l'eau mais seulement posé en surface. Le volume d'eau déplacé est donc nul et la poussée d'Archimède de l'eau également : elle n'intervient pas dans cette situation.

-  La poussée d'Archimède de l'air : le gerris plonge dans l'air. Il est donc soumis à la poussée d'Archimède de l'air. En moyenne, un gerris a une forme plutôt cylindrique de diamètre D = 3,0 mm et de longueur 15 mm. Cette force s'exerce suivant la verticale vers le haut avec une intensité FA(air) = r (air) x V x g      avec V = le volume du gerris.

On a donc FA(air) = 1, 3 x 10^-1 N. La poussée d'Archimède est donc négligeable.

Mais alors si la poussée d'Archimède n'influe pas sur la flottabilité du gerris, quelles caractéristiques s'appliquent ?

      On appelle tension superficielle les forces s'exerçant sur les molécules situées à la surface d'un liquide. Ces forces sont perpendiculaires à cette surface et dirigées vers l'intérieur du liquide (ce qui explique le ménisque incurvé vers le bas à la surface de l'eau placée dans un récipient étroit).

Elle est notée en N/m, ce qui est l'unité d'énergie de surface. C'est une force qui s'applique sur une surface (ici, c'est l'eau).

      Les molécules préférant être entourées par leurs congénères, le système tend à minimiser la surface de contact entre les deux milieux. ( L'interface est une surface de contact entre deux milieux différents.)

      A l'état liquide, les molécules d'eau ne sont plus ordonnées comme elles pouvaient l'être dans la glace mais elles restent très fortement liées entre elles. A la surface du liquide, les molécules sont uniquement attirées en dessous d'elles. En revanche, elles ne peuvent pas rentrer dans le volume pour s'entourer des autres molécules puisqu'il y a déjà des molécules à cet endroit. La nature fait en sorte de toujours minimiser cette surface libre car c'est ce qui demande le moins d'énergie. C'est la raison pour laquelle une goutte d'eau va prendre la forme sphérique qui lui permet de mettre le moins possible de molécules à sa surface.   

     Lorsque qu'un objet déforme la surface de l'eau, la surface réagit et s'oppose à cette déformation - cette opposition se traduit par la tension superficielle. La surface de l'eau à l'extrémité des pattes du gerris forme des dépressions topographiques.

Dans le cas du gerris, du trombone et du papier d'aluminium, la tension superficielle s'oppose au poids des différents objets. Si le poids des objets était trop important, la tension superficielle ne serait pas assez forte... et la surface de l'eau se percerait.