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Couleurs et arts

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Introduction :

Ce cours aborde le thème des couleurs et plus précisément les mécanismes physico-chimiques qui régissent notre perception de celles-ci.
Dans un premier temps, nous étudierons les couleurs obtenues par mélange de sources lumineuses, puis nous aborderons la pigmentation. Enfin, nous verrons les facteurs qui conditionnent la couleur d’une espèce chimique.

Décomposition de la lumière et synthèse additive

Rappel sur la perception des couleurs

Le cerveau humain a la capacité de percevoir les couleurs. Il est important de comprendre que les règles qui concernent l’addition de sources lumineuses et l’addition de pigments sont très différentes. Dans les deux cas, le concept de couleurs primaires et secondaires existe, mais les mécanismes physiques mis en jeu ne sont pas les mêmes.

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À retenir

Pour comprendre cela, il faut envisager le trajet de la lumière depuis une source jusqu’à notre œil car chaque étape a un impact sur la couleur perçue par le cerveau.

Les cellules coniques de l’œil permettent de différencier les couleurs en fonction de la longueur d’onde qu’elles reçoivent. La couleur perçue dépend de la lumière à la source, mais aussi des longueurs d’onde qui seront absorbées par les surfaces frappées entre temps.

  • Dans le premier cas, la lumière va directement de la source jusqu’à l’œil. La couleur perçue ne dépend que de la longueur d’onde émise. C’est le principe utilisé par exemple avec un écran LCD.

Trajet de la lumière entrant dans l’œil sans obstacle sciences première Trajet de la lumière entrant dans l’œil sans obstacle

  • Dans le second cas, le faisceau lumineux rebondit sur une surface avant de frapper la rétine.

Trajet de la lumière entrant dans l’œil avec rebond sur une surface sciences première Trajet de la lumière entrant dans l’œil avec rebond sur une surface

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À retenir

La couleur perçue est dépendante de la source mais aussi de l’objet sur lequel le faisceau rebondit.
On peut donc dire :

Couleur perçue par notre œil = longueurs d’onde eˊmises par la sourcelongueurs d’onde absorbeˊes par l’objet regardeˊ\sum{\text {longueurs d'onde émises par la source}}-\sum{\text{longueurs d'onde absorbées par l'objet regardé}}

Autrement dit, deux facteurs peuvent varier pour obtenir la couleur désirée à l’arrivée.

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Exemple

Par exemple, si on dessine une pomme sur une feuille blanche et qu’on souhaite lui donner la couleur rouge, on peut :

  • en dessiner les contours puis l’éclairer avec un faisceau lumineux de longueur d’onde 780 nm ;
  • ou l’éclairer avec de la lumière blanche et lui appliquer une pigmentation qui ne diffusera que le rouge et absorbera toutes les autres couleurs.
  • Dans les deux cas, le cerveau déterminera que la pomme est rouge.
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À retenir

Le blanc est la somme de toutes les couleurs uniquement lorsqu’on additionne plusieurs sources lumineuses (synthèse additive). Lorsqu’on mélange toutes les couleurs d’une boîte de peinture, on obtiendra du marron ou du noir.

De la même façon, lorsqu’on dit que les couleurs primaires sont le cyan, le magenta et le jaune, ce n’est vrai que lorsqu’on parle de pigmentation (synthèse soustractive).

Lumière polychromatique

La lumière blanche peut être décomposée à l’aide d’un prisme pour former le spectre lumineux. C’est la somme des ondes électromagnétiques de longueurs d’onde différentes qui forme la couleur que notre cerveau perçoit via les cellules coniques de nos yeux.

Décomposition de la lumière blanche sciences première Décomposition de la lumière blanche

Chaque couleur du spectre visible peut être définie par sa longueur d’onde : par exemple 400 nm pour le violet et 650 nm pour le rouge.

Spectre de la lumière visible Spectre de la lumière visible

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À retenir

En combinant plusieurs sources lumineuses de longueurs d’onde différentes, on peut obtenir n’importe quelle couleur du spectre visible. C’est le principe de la synthèse additive.

Synthèse additive

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Définition

Couleurs primaires de la synthèse additive :

Les couleurs primaires de la synthèse additive sont le rouge, le vert et le bleu.

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Définition

Couleur secondaire :

On appelle couleur secondaire la couleur obtenue par le mélange de deux couleurs primaires.

En synthèse additive par exemple, les couleurs secondaires sont le jaune, le cyan et le magenta.

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Définition

Synthèse additive :

On appelle synthèse additive la superposition de lumières des couleurs primaires de la synthèse additive (rouge, vert, bleu) qui, associées en même intensité, donnent de la lumière blanche. En faisant varier la proportion de chacune on peut obtenir la couleur de son choix.

Couleurs primaires et secondaires de la synthèse additive La synthèse additive

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Attention

En synthèse additive, on parle de superposition de lumières colorées et non de couleurs.

La somme de trois lumières de couleurs primaires en synthèse additive en quantité équivalente donne du blanc : c’est pour cette raison que la lumière d’un écran LCD paraît blanche.

Écran LCD sciences première Écran LCD

Le cercle chromatique permet aussi de retrouver les couleurs dites « complémentaires ».

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Définition

Couleurs complémentaires :

Des couleurs complémentaires sont un couple de couleurs dans lequel l’une absorbe l’autre. Ainsi, en synthèse additive, la superposition de deux lumières de couleurs complémentaires donne du blanc.

Pigments et synthèse soustractive

Fabrication de la peinture

Dans une peinture, les pigments sont des poudres minérales ou organiques mises en suspension dans un liquide.

Dans le domaine des arts plastiques, on peut utiliser différentes bases ajoutées au pigment :

  • dans la peinture à l’huile, l’huile de lin ou d’œillette joue le rôle de liant ;
  • dans la peinture acrylique, l’huile est remplacée par de l’eau et une résine acrylique ;
  • l’aquarelle et la gouache contiennent de l’eau et une gomme dissoute.

Les colorants

Les colorants sont employés dans de nombreux domaines tels que l’alimentation, la coiffure ou encore le textile.

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À retenir

Contrairement aux pigments, qui permettent d’obtenir une substance opaque, les colorants sont parfaitement solubles.

Jusqu’au milieu du XIXe siècle, les colorants provenaient de végétaux. Aujourd’hui une majorité de la production est synthétique.

En 1856, alors qu’il cherchait à synthétiser de la quinine pour combattre le paludisme, le britannique William Henry Perkin oxyde un dérivé de l’aniline. Il obtient rapidement un précipité mauve, malheureusement sans rapport avec le résultat recherché.

La substance synthétisée n’est pas pour autant sans intérêt : outre sa belle couleur, elle est indélébile.

  • C’est donc par hasard que le chimiste invente la mauvéine, le premier colorant artificiel dont l’industrie textile avait tant besoin.

Synthèse soustractive

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Définition

Couleurs primaires de la synthèse soustractive :

Les couleurs primaires de la synthèse soustractive sont le cyan, le magenta et le jaune.

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Définition

Synthèse soustractive :

La synthèse soustractive consiste à supprimer une partie du spectre de la lumière blanche pour obtenir une couleur différente. La synthèse soustractive consiste à combiner les propriétés d’absorption de plusieurs corps pour obtenir une nouvelle couleur. Cela peut impliquer la superposition de filtres ou encore le mélange de plusieurs couleurs.
La synthèse soustractive joue sur la capacité d’un pigment à ne diffuser que certaines teintes.

Cercle chromatique de la synthèse soustractive La synthèse soustractive

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À retenir

Le mélange de deux couleurs complémentaires en synthèse soustractive donne du noir.

Dans le cadre de la synthèse soustractive, il serait abusif de dire qu’un objet est d’une couleur particulière.

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Exemple

Pour être précis, on devrait dire : « Cette pomme, éclairée à la lumière blanche, est rouge », et non « cette pomme est rouge ».

  • Si je ne l’éclaire pas, cette pomme est noire.

Action de la lumière sur un objet sciences première Action de la lumière sur un objet

Les artistes n’hésitent d’ailleurs pas à rappeler occasionnellement que certains raccourcis donnent une idée fausse de la réalité.

Ainsi en 1928, René Magritte peint La trahison des images, afin de rappeler la différence entre un objet et l’image qu’il renvoie.

Alt texte La trahison des images, R. Magritte - ©Olga Berrios - CC BY 2.0

D’autres s’amusent à jouer sur les interférences visuelles dues à la saturation des cônes rétiniens et soulignent la différence majeure entre notre perception des couleurs et l’image fausse que nous nous faisons de la réalité. C’est le cas par exemple des peintres impressionnistes comme Claude Monet.

Alt texte Les meules de fin d’été, Claude Monet - Domaine public - CC-PD-Mark

Coloration d’une espèce chimique

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À retenir

La couleur d’une espèce chimique dépend de nombreux facteurs : présence de colorant, pH, température, concentration ou encore solvant.

C’est par exemple le principe du papier pH, utilisé en chimie, qui change de couleur en fonction de l’acidité du milieu étudié.

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Exemple

Prenons l’exemple de l’effet du changement de pH du sol sur la couleur d'une plante. Les anthocyanes, contenus dans le chou rouge et responsables de sa coloration, sont très sensibles aux changements de pH.

Couleur d’un extrait de chou rouge en fonction du pH du sol sciences première Couleur d’un extrait de chou rouge en fonction du pH du sol

  • On observe que le filtrat violet extrait du chou rouge change de couleur en fonction du pH du milieu auquel il est exposé.