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couleur coefficient de transmission coefficient de réflexion coefficient d'absorption eau fluorescence

Pourquoi un T. Shirt mouillé est-il plus foncé qu'un T. Shirt sec ?

Gabrielle Bonnet

Gabrielle Bonnet

24/11/2003

Résumé

Un tissu apparaît plus foncé quand il est mouillé. Cet article illustré propose plusieurs explications : absorption de la lumière par l'eau, coefficient de réflexion modifié, structure différente des fibres du tissu.


Florence Kalfoun

Gabrielle Bonnet

Photo d'une tache d'eau sur un T. Shirt (le T.Shirt a été photographié posé sur un fond uni sombre)

Je dois avouer que je n'ai pas de réponse toute prête à cette question. Mais on peut faire un certain nombre d'hypothèses...

Première hypothèse : absorption de lumière par l'eau

Est-ce que l'eau (qui n'est pas tout à fait transparente) ajoutée au T. Shirt absorbe la lumière suffisamment pour expliquer la couleur plus sombre du T. Shirt ?

L'eau n'est pas parfaitement transparente, c'est indéniable (dans le visible, elle absorbe essentiellement aux alentours de 720 nm)... Mais si on considère la quantité d'eau mise en jeu, il est difficile d'expliquer le changement de teinte du T. Shirt exclusivement par l'absorption de la lumière visible à l'intérieur d'une si faible quantité d'eau !

On peut faire l'expérience de verser un peu d'eau sur une surface lisse, opaque et plastifiée :

La différence de teinte entre la partie mouillée et celle qui ne l'est pas n'est pas perceptible (la surface de l'eau est courbée au bord, ce qui fait que les reflets, donc la teinte au bord, sont légèrement différents)

Pour se convaincre vraiment de la similitude des teintes, on a découpé deux rectangles dans l'image précédente, l'un dans la partie sèche, l'autre dans la partie mouillée, et on les a mis côte à côte... Pouvez-vous dire lequel correspond à la partie mouillée et lequel à la partie sèche ?

A gauche, le carré est sec, à droite il est mouillé... On ne peut pas dire que la différence est très visible !!

Les lessives contiennent des produits fluorescents, c'est-à-dire des produits qui réémettent une partie de l'énergie lumineuse reçue dans le domaine ultraviolet sous forme de lumière visible (renvoyant ainsi plus de lumière visible qu'elles n'en reçoivent). On peut donc se demander si l'eau n'absorberait pas une partie des ultraviolets reçus par le T. Shirt avant qu'ils n'arrivent au niveau des particules fluorescentes. Toutefois, en-dehors du visible, l'eau absorbe essentiellement entre 920 nm et 1000 nm, c'est-à-dire dans l'infrarouge et non dans l'ultraviolet. Il semblerait donc que le taux d'absorption de la lumière par l'eau ne puisse pas contribuer significativement au changement de teinte d'un T. Shirt lorsqu'il est mouillé.

Alors, que se passe-t'il ?

Rien n'empêche de faire quelques hypothèses supplémentaires et quelques tests.

Deuxième hypothèse : coefficients de réflexion

Tout d'abord, prenons un morceau de plastique coloré, à travers lequel on ne voit quasiment pas. Mettons le doigt sec derrière ce morceau de plastique, en contact avec le plastique. On ne voit quasiment pas le doigt.

Florence Kalfoun

Gabrielle Bonnet

On appuie le doigt sec sur un plastique sec (pour voir l'image en grande taille, cliquer ici)

A présent mouillons le plastique ou le doigt et mettons à nouveau le doigt en contact avec le plastique. On voit nettement le doigt à tous les endroits où il est en contact avec le plastique. Il n'est pas notablement plus visible aux endroits où le plastique et le doigt ne sont pas "collés" l'un à l'autre.

Florence Kalfoun

Gabrielle Bonnet

On appuie le doigt mouillé sur le plastique (pour voir l'image en grande taille, cliquer ici)

Comment interpréter cette expérience ?

Dans le premier cas, la situation est la suivante :

Dans le deuxième cas :

Le doigt et le plastique ne sont en fait pas réellement en contact en tout points, mais il y a une fine couche d'air entre eux en de nombreux endroits (les empreintes digitales, visibles dans la première photo, font de la surface du doigt une surface rugueuse)

Le doigt et le plastique, aux endroits où, tout à l'heure, ils étaient séparés par une faible épaisseur d'air, sont maintenant séparés par une très fine couche d'eau

L'absorption à l'intérieur d'une si fine couche d'eau ou d'air est très faible et n'entre pas en jeu de façon significative, par contre les coefficients de réflexion ne sont pas les mêmes sur une interface eau/plastique ou eau/doigt que sur une interface air/plastique ou air/doigt.

Dans le premier cas (plastique sec) la majeure partie de la lumière est réfléchie sur les interfaces air/plastique et plastique/air successifs tandis que dans le deuxième cas, une proportion non négligeable de la lumière est transmise au niveau de l'interface plastique/eau, arrive jusqu'au doigt et est réfléchie vers l'observateur qui voit alors clairement le doigt par transparence.

En effet, plus les indices des deux milieux situés de part et d'autre de l'interface sont différents, plus les coefficients de réflexions sont élevés et les coefficients de transmission faibles. Au contraire, pour des milieux d'indice identiques (ce qui correspond à une différence d'indice minimale), le coefficient de réflexion est nul : il n'y a pas d'interface! Ainsi, en revenant au cas qui nous intéresse ici, une bonne partie de la lumière dans le cas du plastique sec est réfléchie en direction de l'observateur avant d'avoir pu arriver au doigt, tandis que dans le deuxième cas, une portion non négligeable de la lumière totale arrive au doigt et est réfléchie vers l'observateur qui peut ainsi observer son doigt par transparence.

Comment cette observation pourrait-elle s'appliquer au cas du T. Shirt mouillé ?

Les fibres du T.Shirt sont normalement séparées par des interfaces fibre/air. Si maintenant le T.Shirt est mouillé, la plupart de ces interfaces fibre-air seront remplacés par des interfaces fibres-eau, donc il y aura moins de réflexion au sein du T. Shirt (donc un tissu plus sombre aux yeux de l'observateur) et plus de transmission (on pourra dans certains cas voir par transparence ce qui se trouve sous le T. Shirt).

Voilà une hypothèse intéressante, qui semble expliquer les observations... Mais est-ce la seule hypothèse ?

Troisième hypothèse : comportement des fibres du T.Shirt

Il ne faut pas oublier que le T. Shirt n'est pas un simple morceau de plastique coloré, et qu'il est constitué de fibres dont la forme peut être modifiée par la présence de l'eau. En particulier, les fibres du T. Shirt auront probablement plus tendance à être collées les unes aux autres (comme des cheveux mouillés sont plus aplatis), laissant ainsi entre plusieurs fils des espaces plus grands, donc plus de transmission et moins de réflexion.

Florence Kalfoun

Gabrielle Bonnet

A gauche, un fil tiré d'un tissu, sec, à droite, le même fil mouillé (cliquer ici pour voir l'image en grande taille)

Conclusions :

N'y-a-t'il que ces deux hypothèses qui permettent d'expliquer la teinte du T. Shirt mouillé? Une de ces deux hypothèses est-elle "la bonne" ?

J'ignore si ces hypothèses sont les seules à pouvoir contribuer de façon non négligeable au changement de teinte du T. Shirt, et il est fort probable qu'aucune de ces hypothèses ne soit "la bonne" dans le sens de "l'unique explication du phénomène". Probablement "la solution" est-elle que les hypothèses que nous avons avancées contribuent toutes au moins un peu au résultat final...

Une précision tout de même : nous pouvons en fait reprendre la formulation de la question : les deux hypothèses essentielles que nous avons formulées pour expliquer la teinte du T.Shirt montrent qu'un T.Shirt mouillé, s'il ne semble pas absorber pas significativement plus de lumière qu'un T. Shirt sec, transmet cependant plus de lumière. Ainsi, dire qu'un T. Shirt mouillé est plus sombre est assez inexact : il est plus sombre s'il est placé devant un fond sombre... S'il est placé devant une lumière, cependant, la partie mouillée du T. Shirt devrait être plus claire que la partie sèche...

Nous avons vérifié en faisant l'expérience avec le T. Shirt mouillé présenté en introduction...

Florence Kalfoun

Gabrielle Bonnet

Florence Kalfoun

Gabrielle Bonnet

A gauche, le T. Shirt mouillé est posé sur un fond sombre, à droite, il est placé devant une lampe. Lorsque le T. Shirt est éclairé par derrière, la partie mouillée est plus claire que la partie sèche, ce qui confirme les conclusions auxquelles nous avons abouti précédemment.

 

Peut-être certains ont-ils réfléchi plus abondamment au problème de la couleur d'un T. Shirt mouillé et ont-ils des hypothèses supplémentaires à faire... Mais vous pouvez faire vous-même, si ce problème vous intéresse, vos propres hypothèses et les tester chez vous, sans avoir besoin de plus de matériel qu'un T.Shirt et de l'eau !!...

Tous nos remerciements à F. Kalfoun et R.-E. Eastes pour leurs contributions.