Questions aux experts

Si on ne casse qu'un côté de l'ampoule, le trou réalisé étant très petit, l'air ne peut pas pénétrer dans l'ampoule pour remplacer le liquide qui en sortirait. De ce fait, tout début de mouvement du liquide vers l'extérieur se traduit par une dépression à l'intérieur de l'ampoule, alors que la pression extérieure est elle constante : le liquide est soumis à une "force de rappel" analogue à celle produite par un ressort qu'on étire. Par contre si on casse le bout opposé, de l'air peut rentrer par ce bout au fur et à mesure que le liquide s'écoule, ce qui permet à la pression à l'intérieur de l'ampoule de ne pas décroître, et supprime donc la force de rappel.

Pour que le liquide d'une ampoule s'écoule vers le bas, il faut une force nette agissant sur le liquide vers le bas. Or, cette force est constituée de la force de la pesanteur, mais également de la résultante nette des pressions de l'atmosphère agissant sur le liquide. On fait abstraction ici des effets capillaires, ou de tension de surface, qui pourraient jouer dans le cas d'une petite ampoule. Lorsque l'ampoule est ouverte en haut et en bas (cassée des deux cotés), la même pression (atmosphérique) agit des deux cotés, et s'annule, donc c'est la pesanteur qui provoque l'écoulement.
Par contre, si l'ampoule reste fermée en haut, un faible mouvement du liquide vers le bas, dû à la pesanteur, réduit la pression atmosphérique (effective) dans le haut de l'ampoule parce que le volume augmente mais la quantité d'air piégé reste la même. Les deux effets de pression ne s'annulent plus, et il y a une force nette vers le haut. Lorsque cette force vers le haut équilibre la force de la pesanteur vers le bas, le mouvement s'arrête. Il y a pourtant moyen de vider l'ampoule en secouant. Ceci a deux conséquences:

Dans le tube de faible diamètre (que j'assimile à un tube capillaire) de l'ampoule ouverte et retournée, le liquide est en équilibre sous l'influence de la pression atmosphérique extérieure, de la pression du liquide, de la pression du gaz à l'intérieur de l'ampoule (qui doit être égal à la pression atmosphérique au moment où on retourne l'ampoule ouverte d'un côté), et de la tension superficielle du liquide dans le capillaire. Cette tension tend à retenir le liquide dans le tube (un tube capillaire ouvert aux deux bouts plongé dans de l'eau voit le niveau d'eau monter dans le tube pour équilibrer la tension superficielle du liquide).
Si le liquide s'écoulait sans entrée d'air, la pression diminuerait dans l'ampoule empêchant le liquide de couler.
Il faut donc qu'une entrée d'air soit ouverte au dessus pour maintenir la pression atmosphérique dans l'ampoule ; le liquide s'écoule alors du fait de la différence de pression entre la hauteur du liquide et la tension superficielle. A la fin de l'écoulement on est souvent obligé de souffler dans l'ampoule pour évacuer tout son contenu car la hauteur de liquide n'est plus suffisante pour s'opposer à la tension superficielle et il reste naturellement un peu de liquide dans l'ampoule.

Pour que le liquide puisse s'échapper d'une ampoule, il faut qu'il puisse être remplacé par de l'air.

Dans le cas contraire, un vide partiel se crée au dessus du liquide qui est alors davantage poussé vers le haut par l'air extérieur à l'ampoule, que vers le bas par l'atmosphère interne en dépression.
Lors de l'ouverture de l'ampoule, le poids du liquide lui permet de descendre et l'ampoule laisse échapper quelques gouttes, puis la différence de pression qui s'établit entre l'intérieur et l'extérieur de l'ampoule compense ce poids : l'écoulement s'arrête.

Mais pourquoi l'air ne peut-il pas remplacer le liquide de l'ampoule ?

Le liquide (généralement à base d'eau) possède une forte affinité pour le verre de l'ampoule et a tendance à y rester "accroché". Pour une petite section de l'ouverture, le passage de l'air l'obligerait à se détacher d'une large partie de la paroi (relativement à la petite quantité d'eau présente à la sortie de l'ampoule), ce qui n'est possible que si on lui apporte l'énergie suffisante (en secouant l'ampoule par exemple). Ce phénomène dit de "capillarité" (car il se produit dans les tubes fins, de la taille des cheveux) permet également d'expliquer pourquoi le liquide des thermomètres médicaux ne redescend pas lorsque la température baisse (il reste "accroché" dans le tube très fin) et pourquoi la surface de l'eau dans un verre "remonte" le long des parois (on dit que l'eau "mouille" le verre).

Si la section de l'ampoule est plus large, le liquide peut s'écouler par intermittence, laissant remonter des bulles d'air. Les effets liés à l'affinité du liquide pour le verre existent toujours mais ils sont compensés par l'effet du poids de l'eau. En effet, les effets de la capillarité (ou effets capillaires) sont proportionnels à la surface du liquide concerné, alors que les effets du poids (ou effets gravitationnels) sont liés à son volume. Et comme le rapport surface/volume des objets diminue lorsque leur taille augmente, les effets capillaires ont une moindre influence sur les gros objets que sur les petits.

Enfin si la section est très grande (prenons le cas d'un verre renversé par exemple), le liquide peut couler le long de la paroi sans plus être affecté par les effets capillaires.

A présent si l'on remplace le liquide de l'ampoule par du mercure, celui-ci est non seulement beaucoup plus dense que l'eau (ce qui accentue les effets de son poids) mais il a également une très faible affinité pour le verre. Par suite, il peut s'écouler sans problème pour des ouvertures très petites de l'ampoule, pour lesquelles l'eau ne s'écoule plus depuis longtemps.