Processus de formation d'un flocon de neige - BEIGBEDER / CURIS / BOULÉ

BEIGBEDER Quentin

CURIS Baudoin

BOULÉ Alexandre

PROCESSUS DE FORMATION D’UN FLOCON DE NEIGE

A. Processus

Nom du processus : Formation d'un flocon de neige

Nature : Processus naturel

Paramètres de contrôle sur la forme : Forme totalement aléatoire

Echelle : Microscopique

B. Espaces générés

Diversité des espaces créés : Grande 

Qualités spatiales : Symétrie / Radiale (dans sa progression ou dans sa structure) / Equilibrée / Translucide / Proportionné

Univers sémantique : L'architecture antique avec les rapports de proportions (Panthéon d'Agrippa ou encore le Temple Borobudur à Ankor Wat). On pense aussi à l'architecture néo-classique avec Boullée et son cénotaphe pyramidale. 

C. Transposition dans un projet architectural

Facilité d'insertion dans un site : 

 On peut imaginer autant d’architectures possible qu’il y’a de formes ou d’aspects de l’eau. Et vu le nombre de formes que l’on peut trouver dans l’eau que ce soit fluide liquide ou gazeux, il nous est facile d’intégrer une architecture inspirée de ces expériences dans un site.

Types de programmes possibles : 

  Ce qu’on a pu observer durant ces expériences, sont les différents états de l’eau. En fonction de la pression et de la température, l’eau change littéralement et de façon aléatoire aussi bien sur le plan morphologique que microscopique.

Constructibilité :

  Si nous cherchons à construire une architecture reprenant cette idée de fluidité, il nous serait plus intéressant d’utiliser du béton, si l’on s’intéresse à l’aspect de l’eau, on prendrait du verre, qui peut aussi servir pour une idée de cristallisation. Durant nos expériences, nous avons évidement pu voir de la vapeur d’eau, et si l’on s’inspire de cet aspect, les matériaux lourds seraient difficilement adéquats. Mais peut-être des bâches en plastique transparent ou encore des brumisateurs d’eau pourraient mettre en mouvement notre architecture.

  Ainsi on peut aussi ajouter des type d'architecture comme le Rolex Center  ou Teshima Museum de SAANA 

D. Expériences

Expérience 1 : Fractale

Ingrédients et ustensiles
 - Moule reprenant la forme du flocon
 - Encre
 - Lait
 - Savon 

Déroulement
 En remplissant la maquette de lait, en plaçant de l’encre au centre de la maquette et en ajoutant une goutte de savon sur l’encre, cette dernière est rejeté vers la périphérie.

 On reprend ainsi le phénomène d’itération vers la périphérie du flocon de neige. La solution est projetée du centre vers les bords.

Conclusion 

L'expérience en apparence simple nous permet de retranscrire un des phénomène dans la fractale qui est l'itération ou la propagation de solution du centre vers les périphéries.

Cette propagation est équilibrée de part et d'autre du moule, en effet à chaque extrémité on retrouve une quantité de matière équivalente.

Cette expérience ne nous permet pas de comprendre le processus de fractale dans sa globalité puisque nous avons imposé une forme au départ.

Expérience 2 : Surfusion de l’eau

Ingrédients et ustensiles
 - Bouteille d'eau
 - Congélateur

Déroulement 

  La surfusion de l’eau est le passage de l’état liquide à l’état solide. Naturellement à 0°C la glace fond mais sous pression. Ainsi en mettant une bouteille d’eau au congélateur pendant un certain temps et en n’y donnant aucun choc, l’eau reste liquide. En donnant un choc à la sortie du congélateur, la surfusion de l’eau  se met en place.

Conclusion

 Cette expérience nous a permis de comprendre le phénomène de changement d'état dans le processus de formation d'un flocon de neige. En effet nous avons engendré le changement d'état de l'eau en glace instantanément.

 Pourtant dans le processus de formation d'un flocon de neige, il s'agit d'un gaz (vapeur d'eau) qui se sublime directement et devient glace. Ce n'est pas le même procédé mais cela nous permet de savoir qu'un changement d'état a lieu dans la formation du flocon.

Expérience 3 : Cristallisation / Glace chaude

Ingrédients et ustensiles
 - Bicarbonate de sodium
 - Vinaigre blanc (8%)
 - Balance
 - Casserole
 - Eau déminéralisée
 - Plaque chauffante
 - Frigidaire
 - Moule reprenant la forme du flocon

Déroulement 

  Pour reprendre le processus de cristallisation interne au flocon de neige nous avons décidé de faire de la glace chaude.

Pour cela nous avons besoin de produire de l’acétate de sodium. Sa réaction chimique est  faite en mélangeant du vinaigre d’alcool blanc (8%) et du bicarbonate de sodium. En chauffant la solution, l’eau s’évapore. Quand toute l’eau s’est évaporée, une poudre apparaît au fond de la casserole, c’est de l’acétate de sodium.

  Après avoir laissé sécher l’acétate de sodium, on fait bouillir très peu d’eau et on ajoute une grande dose d’acétate de sodium. Cette sursaturation d’acétate de sodium entraîne une cristallisation de la solution créant ainsi de la chaleur. Ce n’est pas l’eau qui gèle mais l’acétate de sodium qui s’assemble et crée un solide.

  En laissant refroidir la solution obtenue vers les 20°C, elle se solidifie au fur et à mesure. On obtient des cristaux chauds.

Essai 1 : 

En saturant au maximum la solution d'acétate de sodium, elle s'est rapidement solidifiée. Cela a crée de la glace chaude. En effet cela a l'aspect de cristaux de glace mais au toucher ces cristaux sont chaud.

Essai 2 :

Nous avons filmée le même processus en faisant plus attention aux différents grammages et nous avons imposé une forme finale qui est celle du flocon. 

Conclusion

  Le but de cette expérience était de fabriquer de la glace avec les conditions de temperature qu’on avait a portée de main. Nous avons précédemment réussi à avoir de la glace instantanée, froide. Nous avons ensuite voulu faire de la glace chaude. Cette dernière expérience nous a permis de voir l’eau sous ces trois états, liquide en début d’expérience, sous forme de gaz pendant l’expérience puis sous forme de glace (cristallisée). Ces changements d’états nous ont conduits par la suite d’avoir une idée sur un projet architectural. 

Expérience 4 : Création de flocon de neige en laboratoire

Pour cette expérience, faute de ne pas avoir le matériel adéquate, nous nous sommes référencés à des expériences qui ont été déjà faite en laboratoire aux Etats-Unis.

Synthèse des flocons de neige de culture grâce à une chambre de diffusion a la vapeur

Ingrédients

 - Chambre de diffusion à la vapeur

 - Aiguille électrique

 - Caméra attachée à un microscope

Description dune chambre à diffusion

  Il s'agit d'une boîte isotherme qui est conservé au froid sur le fond (-50°C) et à chaud sur le dessus (40°C). Le gradient de température crée alors un environnement stable (l'air chaud flotte au dessus de l'air froid). On peut ainsi gérer les différences de températures facilement.

Déroulement

  Une source d'eau est placé à la partie supérieure, et avec la vapeur d'eau qui se diffuse à travers le bloc, la production d'air est sursaturé. L''air au centre de la chambre est idéale pour les cristaux de glace en croissance. 

 On commence par mettre un fil dans la chambre de diffusion de dessous, on applique une haute tension sur le fil, (2000 volts), des cristaux de glace minces commencent alors à pousser à partir du fil. 

  Le phénomène de sublimation se crée alors, avec la vapeur d'eau qui est présente dans la chambre et en y mettant un choc électrique, des cristaux se créent.

  Ainsi en filmant cette cristallisation, on peut voir les différentes étapes de formation

  Avec cette chambre a diffusion, on a pu contrôlé les différentes formes en fonction de la température et du choc électrique.

  

Ainsi à -5°C on remarque que les cristaux ont une forme d'aiguilles ou de bâtonnet

  A -15°C quelques dendrites se forment et on observe des ramifications plus complexe.

 En gérant différents paramètres, on peut créer les formes que l'on souhaitent. Par exemple on place d'abord le fil dans une position où la température est de -5°C, des bâtonnets se forment. Puis en coupe le courant et on se place à -15°C, des dendrites stellaires sont ainsi formées, ce qui a donné rapidement des pointes dendritiques croissance. Enfin on place le fil à -12 C, ce qui  produit plus lentement des plaques-sectorisées croissance. Chacun des sous-images est représenté à la même échelle (diamètre finale du flocon = 4.5mm)

Conclusion

 Cette dernière expérience nous a permis de plus comprendre la véritable formation d'un flocon de neige. En effet c'est a partir des variations de changements d'état de la vapeur d'eau, que se met en place le processus de cristallisation et ainsi de fractale.

 En administrant différents paramètres lors de l'expérience, on se rend compte que les formes sont totalement aléatoire. Tout cela dépend du climat et des tensions dans l'air. C'est pour cela que l'on dit qu'il n'existe pas deux flocons de la même forme.