Atelier de soufflage du verre

Ce qui se passe

Une paraison de 300 g de verre sodocalcique, au bout d’une canne, est soufflée en bulle au banc du maître verrier. La viscosité du verre suit la loi de Vogel–Fulcher–Tammann, log₁₀(η/Pa·s) = −2,6 + 4300/(T − 530 K) : mille pascals-secondes à 1025 °C, quatre mille fois plus à 724 °C. L’inertie est négligeable, si bien que le mouvement du verre est un écoulement de Stokes : de toutes les manières dont la paroi peut s’étirer – avec des vitesses d’étirement s le long du méridien et t autour de la bulle –, le verre adopte celle qui dissipe le moins pour le travail de la pression de l’air et de la tension superficielle. La bulle reste une sphère passant par l’anneau de verre de 12 mm collé au bout de la canne ; 24 anneaux de verre glissent sur elle, chacun avec sa propre paroi et sa propre température. Ils rayonnent (émissivité 0,9) et perdent de la chaleur par convection vers l’atelier et, au col, vers la canne, ou en reçoivent des parois du four de réchauffe à 1200 °C ; un jet d’air peut refroidir l’extrémité opposée. La pesanteur fléchit le col comme une charnière visqueuse ; la rotation de la canne fait tourner avec elle l’inclinaison de la bulle.

Selon la loi de la coque mince, une sphère libre à paroi uniforme s’emballe : à 1000 °C, la paraison initiale, de 26,7 mm de rayon de surface moyenne et de 14,1 mm de paroi, soufflée à 0,5 kPa, gonflerait sans limite en 6,14 s. Le refroidissement l’en empêche : sur la canne, la bulle grossit jusqu’à 156 mm en 30 s et se fige à 672 °C, son col, refroidi par la canne, étant 6,1 fois plus épais que les 1,5 mm de l’extrémité opposée. Une paraison à 850 °C s’ouvre à peine, jusqu’à 67,9 mm, alors qu’une sphère libre à 1100 °C se déchire en 1,48 s. Sans rotation, la bulle penche de 61,8° en 3 s et pend à 73,7° de l’axe de la canne au bout de 8 s ; tournée à un tour par seconde, elle décrit un cercle, revient et ne reste qu’à 4,2° de l’axe. Si l’extrémité n’a que la moitié de la paroi, elle s’amincit 1,8 fois plus vite que le corps : à la même pression, elle finit à 1,18 mm contre 1,53 mm pour le corps, et à 0,75 kPa elle se déchire en 5,76 s. Le jet de refroidissement raidit l’extrémité et arrête son étirement à 4,85 mm d’épaisseur, tandis que la bulle atteint 110 mm.

Modèle : une coque visqueuse mince maintenue sphérique, de sorte qu’une zone mince s’étale le long de la sphère au lieu de se bomber ; au départ, l’épaisseur de la paroi vaut la moitié du rayon, et la loi de la coque mince y devance alors de 6 % la solution exacte de la coque épaisse. Une seule température dans l’épaisseur de la paroi de chaque anneau, une surface grise et opaque ; le col est le premier anneau, qui fléchit comme un tube visqueux ; ni force centrifuge, ni affaissement de la bulle elle-même, ni écoulement d’air dans la canne ; une paroi de moins de 0,25 mm se déchire et la bulle ne tient plus la pression. RK4 au pas de 1/120 s, subdivisé tant que la paroi s’étire vite ; le verre n’est ni créé ni perdu, et le bilan du soufflage, du four de réchauffe, du rayonnement, de la convection, de la canne, de la chaleur et de l’énergie de surface se boucle.

À essayer

Regardez la paraison gonfler sous la pression de soufflage et s’arrêter en refroidissant, puis portez-la au four de réchauffe et soufflez de nouveau. Arrêtez de tourner la canne pour voir la bulle pencher, et soufflez une paraison à l’extrémité mince avec et sans le jet de refroidissement.