Pourquoi la surface libre d'un liquide est plane et horizontale ?

Pourquoi la surface d’un liquide au repos est-elle plane et horizontale ?

La surface d’un liquide au repos, qu’il s’agisse d’eau dans un verre ou d’un océan, est toujours, en première approximation, plane et horizontale. Ce phénomène, pourtant familier, mérite une explication qui va au-delà de l’observation triviale. Cette planéité découle de l’interaction entre la force de gravité et la cohésion intermoléculaire du liquide.

La force de gravité agit sur chaque molécule du liquide, tendant à la faire se déplacer vers le centre de la Terre. Cependant, cette attraction n’est pas uniforme, car la force dépend de la position de la molécule par rapport à ce centre. Néanmoins, le principe fondamental qui rend la surface horizontale réside dans la cohésion intermoléculaire. Les molécules d’un liquide sont liées les unes aux autres par des forces d’attraction. Ces forces agissent de manière équilibrée à l’intérieur du liquide.

Imaginez un liquide dans un récipient. Les molécules à la surface subissent une force d’attraction différente, car elles n’ont pas de molécules en “dessus” pour les équilibrer. Cette force d’attraction déséquilibrée, qui les attire vers l’intérieur du liquide, est appelée la tension superficielle. C’est cette tension superficielle qui tend à minimiser la surface libre du liquide. Pour atteindre ce minimum d’énergie potentielle, la surface prend la forme la plus plane et la plus horizontale possible, c’est-à-dire perpendiculaire à la direction de la gravité. Cette forme permet de maximiser le nombre de molécules qui s’attirent entre elles verticalement.

L’explication de la planéité devient plus complexe si l’on prend en compte la profondeur du liquide. À profondeur constante, la pression exercée par les couches supérieures se propage de façon uniforme dans tous les sens. La force résultante sur la surface libre est donc identique dans toutes les directions horizontales. En supposant une surface pure, sans contamination ni perturbation, la surface du liquide se conformera donc à l’horizontale.

En conclusion, la surface plane et horizontale d’un liquide au repos est la conséquence du compromis entre la force de gravité et la cohésion intermoléculaire. La tension superficielle, conséquence de cette cohésion, tend à minimiser la surface libre du liquide, favorisant ainsi une surface plane et perpendiculaire à la direction de la pesanteur. Ce principe fondamental explique pourquoi une surface de liquide au repos, dans un champ gravitationnel uniforme, sera plane, quel que soit le contenant qui la retient. Toute déviation de cette planéité indique une perturbation du système, comme une accélération, un mouvement, ou la présence d’un corps étranger, qui modifie les forces en jeu.