Air et Vide

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Air et Vide

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Palais de la découverte
Avenue Franklin D. Roosevelt 75008 Paris
1
Kasciopé - CCSTI de la Drôme
INEED Rovaltain TGV
1, rue Marc Seguin - BP 16118 Alixan
26958 Valence Cedex 9
Tél. 04 75 57 79 80
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Air et Vide
Sommaire
Introduction
(Page 3)
La découverte de la pression atmosphérique
(Page 3 à page 6)
- Galilée et Torricelli
- les expériences de Pascal
Otto Guericke et l'invention
de la machine pneumatique (Page 6 à page 8)
- la pesée de l'air
- le temps et la pression de l'air
- le son et la pression de l'air
- la détente brutale d'un gaz
- l'expérience du "crève-vessie"
- les hémisphères de Magdebourg
Boyle et l'élasticité de l'air (Page 8 à page 10)
- le ballon de baudruche
-l'expérience du "tube de Newton"
-l'ébullition de l'eau tiède
Daniel Bernoulli et les bases de la théorie
cinétique des gaz (Page 11 à page 12)
- le ballon de baudruche de Boyle, revu et corrigé
- le principe de Bernoulli
- quelques expériences illustrant le principe de Bernoulli
Le vide et l'électricité (Page 13 à page 14)
- expérience de décharges à basses pressions
Jacques Delille (Page 15)
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Air et Vide
Un exposé!
L'AIR ET LE VIDE
par Kamil FADEL
Département physique, Palais de la découverte
C'est également au XVII ème siècle qu'on
inventa la pompe à air ou " machine pneumatique ". Avec cette pompe, sans cesse perfectionnée par la suite, on réalisa une foule
d'expériences à basse pression.
Nous vivons dans un océan d'air et pourtant,
nous ne songeons que très rarement à sa
présence matérielle, Une bouteille que nous
qualifions de vide est en fait emplie d'air.
Nous oublions qu'elle contient un très grand
nombre de molécules animées de mouvements incessants et désordonnés. Déjà, dans
l'Antiquité, certains penseurs grecs avaient
pressenti cette vision moderne. L'air est, disaient-ils, formé de petites sphères insécables
(les atomes) en perpétuelle agitation,
séparées les unes des autres par un espace
vide
La découverte de la pression atmosphérique
Galilée et Torricelli
A l'époque de Galilée, on connaissait déjà,
depuis fort longtemps, la pompe aspirante
qui servait à faire monter l'eau du fond des
puits. On s'était aperçu que, malgré tous les
efforts, on ne parvenait pas à élever l'eau à
plus de dix mètres environ. Pourquoi ne
monte-t-elle pas plus haut (fig. 1) ? Vers
fin de sa vie, Galilée tenta de répondre à
cette ques-tion, mais n'y parvint pas. Selon
lui, puis-que, à partir de dix mètres, l'eau
n'est plus tirée vers le haut pour combler le
vide qui apparaît au-dessus d'elle, c'est que
la nature a peut-être horreur du vide mais
pas trop tout de même. Ainsi donc, il
n'établit pas le lien entre cette énigme et le
poids de l'air. Pourtant, quelques années
auparavant, en pesant un ballon de verre
avant et après y avoir comprimé de l'air, il
avait montré la nature pesante de l'air.
Aristote, maître à penser du monde occidental pendant près de deux mille ans, montra
avec des arguments très convaincants qu'il
ne peut y avoir de vide dans la nature et
rejeta l'atomisme (1). " La nature a horreur
du vide ".C'est à l'aide de cette formule que
jusqu'au XVIIème siècle on expliqua
pourquoi l'eau monte dans une pompe
quand on tire le piston. C'est pour éviter
l'apparition d'un espace vide entre le piston
et la surface de l'eau que le niveau
de celle-ci s'élève.
L'explication correcte de ce phénomène ne
fut donnée qu'au XVII ème siècle après la
démonstration de la nature pesante de l'air et
l'introduction de la notion de pression
atmosphérique.
(I) La notion de vide fut essentielle dans les débats
sur l'atomisme
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Fig.1. - L'eau refuse de monter dans les pompes aspirantes des fontainiers de Florence
au dela de 10.33 mètres environ. Torricelli en découvre la raison.
Sur une idée de Galilée, Gaspero Berti, à
Rome, remplit avec de l'eau un tube de plus
de dix mètres de long, fermé à une extrémité
et ouvert à l'autre; il boucha et le retourna de
façon à plonger l'orifice ouvert dans un
récipient contenant lui même de l'eau. Ainsi
que l'avait prévu Galilée, il constata que
l'eau descendait dans le tube et s'arrêtait à
dix mètres de la surface libre dans le récipient. Un espace vide en apparence était alors
visible au-dessus de la colonne. Berti venait
de fabriquer un baromètre à eau (fig.2).
Torricelli imagina alors que cette colonne
d'eau de dix mètres était tenue en équilibre
par le poids de l'air agissant sur la surface de
l'eau du récipient. Selon lui, la force qui
empêchait la colonne dedescendre plus bas
était à l'extérieur du tube et non à l'intérieur,
dans la région vide, comme le croyait
Galilée qui évo-quait la " force du vide ".
Fig. 2. - L'expérience de Berti
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Le père Mersenne, qui passait une bonne
partie de son temps à voyager à tra-vers
l'Europe pour se tenir informé des dernières
découvertes scientifiques, répandit la nouvelle de cette expérience, de retour en
France. Blaise Pascal très intéressé, aidé par
son père et un ami, tenta pendant un an de
reproduire l'expé-rience de Torricelli... sans
succès. La rai-son en est simple: le père
Mersenne ayant négligé de préciser la hauteur de la colonne de mercure, les tubes que
Pascal utilisait étalent toujours trop courts.
Mais en prenant des tubes de plus en plus
longs, ils finirent par obtenir la fameuse
région vide au-dessus du mercure.
S'il en est bien ainsi, pensa Torricelli, alors
cette même expérience réalisée avec un
autre liquide, devrait montrer que la hauteur
à laquelle celui-ci descendra sera d'autant
moins élevée qu'il sera plus dense. A sa
demande, en 1643, Viviani reproduisit l'expérience, cette fois avec du mercure (13,6
fois plus dense que l'eau) et, comme prévu,
trouva environ 76 cm. Viviani venait d'inventer le baro-mètre à mercure (fig. 3).
La région n'est pas totalement vide
puisqu'elle contient de la vapeur de
mercure, à très basse pression, de
même qu'elle contient de la vapeur
d'eau dans l'expérience de Berti. A 20
C au-dessus de la colonne d'eau, il
existe 550 millions de milliards de
molécules par centimètre cube. Tan-dis
qu'au-dessus de la colonne de mercure
il en existe 50000 milliards. Le rapport
de 10000 est dû à la plus grande volatilité de l'eau. Ces chiffres sont à comparer avec les 25 milliards de milliards de
molécules par centi-mètre cube que l'on
trouve à 20 °C et sous 1 atmosphère.
Fig. 3 -Expérience de Torricelli.
Pour Pascal, comme pour Torricelli, la
colonne de mercure haute de 76 cm équilibrait une colonne d'air de même section
mais de plusieurs kilomètres de haut.
Puisque pour une section de 1 cm2, une
colonne de 76cm de mercure pèse envi-ron 1
kg (1,033 kg plus précisément), sur chaque
centimètre carré s'appuie une colonne d'air
de 1 kg environ. C'est la pression atmosphérique. Torricelli remarqua que la hauteur du mercure variait légèrement d'un jour
à l'autre. Très justement, il l'attribua aux
fluctua-tions de la pression atmosphérique
avec le temps.
Pour Torricelli, l'air poussait la colonne
d'eau de bas en haut. Pour Galilée, c'est
la région vide qui tirait la colonne d'eau
vers le haut, la hauteur maximale
atteinte par l'eau (10 m) constituant la
limite avant la rupture de la colonne
d'eau.
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Fig.4. - L'expérience de Torricelli répétée au sommet du Puy-de-Dôme
par Périer sur les instances de Pascal.
Mais la théorie de " l'horreur du vide " était
trop bien ancrée dans les esprits pour être
abandonnée si tôt au profit de l'explication
donnée par Torricelli. Après la mort de
celui-ci en 1647, ses continua-teurs, Pascal
et Guericke lui donneront raison.
de ce résultat, Pascal mesura alors la ! pression en haut et en bas de la tour de l'église
Saint-Jacques-du-Haut-Pas à Paris (50 m).
Comme prévu, il trouva une dénivellation de
4 à 5 millimètres envi-ron. Grâce à Pascal le
baromètre devint I altimètre.
Les expériences de Pascal
Otto Guericke et 1'invention de la
machine pneumatique
Selon Pascal, l'air, comme l'eau, est un fluide
et l'atmosphère est un océan d'air. Donc conformément aux lois de l'hydro-statique, la
pression devrait diminuer avec l'altitude.
Pascal imagina qu'en transportant un
baromètre du pied au sommet d'une montagne, on verrait décroître la hauteur de la
colonne de mer-cure. En septembre 1648
son beau-frère, Florin Périer, fit l'expérience
au Puy-de-Dôme (fig. 4). Il constata que la
pression au sommet (1 000 mètres plus haut)
était plus faible d'environ 85 millimètres de
mercure par rapport à celle qui régnait au
pied de la montagne, soit une diminution de
8,5 millimètres pour 100 mètres. Satis-fait
Toujours à cette époque, Otto Guc-ricke,
bourgmestre de Magdebourg, pas-sionné par
la physique, portait tous ses efforts vers la
réalisation " d'espaces vides " bien plus
grands que ceux que l'on obtenait dans les
baromètres. Vers 1650, en modifiant la
pompe à eau, il fabriqua une pompe à air ou
machine pneumati-que. Ainsi naquirent la
technique du vide et l'expérimentation à
basse pression.
Pesée de l'air
En pesant un ballon de verre avant puis
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L'expérience peut être réalisée de la manière
suivante: après avoir versé un peu d'eau dans
une enceinte pour rendre l'air humide, on
pompe de l'air à l'intérieur pour qu'il soit
fortement comprimé. En débouchant rapidement l'enceinte, on observe le brouillard
(multitude de fines gouttelet-tes d'eau). En
sortant de l'enceinte, l'air chargé en vapeur
d'eau repousse l'air ambiant qu'il rencontre.
Ce faisant, la vitesse d'agitation de ses propres molé-cules diminue, ce qui correspond
à un refroidissement. Moins agitées, les
molé-cules d'eau de la vapeur peuvent alors
s'agglomérer pour former de petites gouttelettes : la vapeur se condense.
après l'avoir partiellement vidé de son air à
l'aide de sa pompe, Guericke montrait une
nouvelle fois (après Galilée) que l'air était
pesant et évaluait grossièrement sa densité.
Il remarqua que celle-ci n'était pas constante
mais qu'elle variait avec la température et la
pression. Sous 1 atmo-sphère (760 mm de
mercure) et à 20°C la densité de l'air est de
1,2 gramme par litre (soit environ 1/800 de
celle de l'eau), à 0° C sous la même pression
elle est de 1,3 gramme par litre.
Le temps et la pression de l'air
Guericke s'intéressa beaucoup à la
météorologie et tenta d'établir une rela-tion
entre la pression et le temps. Un jour, en
observant une chute brutale de la pres-sion,
il put prévoir une tempête. Boyle, Hooke,
Mariotte et d'autres continuèrent dans cette
voie. C'était les débuts de la météorologie.
On peut constater l'abaissement de température qui accompagne une détente brusque en
plaçant le doigt devant l'ori-fice par lequel
sort le jet d'une bombe aérosol.
Inversement, lorsqu'on comprime brusquement un gaz, la température aug-mente. On
le constate en gonflant la chambre à air d'une
roue de bicyclette : la pompe s'échauffe. En
avançant, Je piston bouscule les molécules
d'air augmentant ainsi leur vitesse et donc la
température.
Le son et la pression de l'air
Guericke montra également que le son d'une
clochette s'entend de moins en moins à
mesure que l'air d'enceinte dans laquelle elle
se trouve est raréfié. Ainsi, il confirma une
opinion déjà très ancienne selon laquelle il n
'y a pas de son dans le vide.
L'expérience du " crève-vessie "
Dans une autre expérience, alors qu'il pompait l'air d'une sphère en cuivre mince,
Guericke entendit un grand vacarme,
comme une explosion. En fait, il s'agissait
d'une implosion. Trop mince, et probablement de forme irrégulière, la sphère n'avait
pu résister à la pression atmosphérique et
s'était effondrée sur elle-même.
Par la suite, des expériences semblables
furent réalisées par Boyle, Papin (inven-teur
de l'autocuiseur) et Hauksbee. En 1705, ce
dernier plaça une clochette dans une
enceinte. Il constata que le son de la clochette s'entendait jusqu'à 25 mètres à la pression atmosphérique mais qu'il s'entendait
jusqu'à 55 mètres sous I 2 atmosphères et
jusqu'à 80 mètres sous ! 3 atmosphères. !
L'expérience du crève-vessie illustrée sur la
figure 5 en est une variante. Les enfants font
cette expérience lorsqu'ils forment avec du
chewing-gum une pelli-cule devant la
bouche. Ensuite, en aspi-rant, la membrane
se bombe vers l'inté-rieur de la bouche et
finit par se rompre en produisant un claquement sec.
Détente brutale d'un gaz
Guericke avait également remarqué la formation d'un brouillard lorsque l'air humide
d'une enceinte était brusquement détendu.
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sphère. Un joint assurant l'étanchéité, on
pompait l'air de la sphère (fig.6).
Employant des hémisphères de 119 cm de
diamètre, Otto Guericke montra que 16
chevaux attelés à la sphère (8 de chaque
côté) ne réussissaient pas à les séparer. Il fallut en atteler 24 (12 de chaque côté) pour y
parvenir (fig. 7).
Pour ses talents de physicien (il est aussi l'inventeur de la première machine électrostatique) et la bonne gestion de sa ville, il fut
anobli par l'empereur Léopold en 1666.
Depuis, son nom de famille est précédé de "
von " l'équivalent de la parti-cule " de " utilisée en France.
Fig. 5, - Expérience démontrant l'existence
de la pression atmosphérique,
Crève-vessie
Boyle et l'élasticité de l'air
Boyle, le continuateur de Guericke, refit
l'expérience de Pascal, mais sans monter en
altitude. Il plaça un baromètre sous une
cloche en verre et montra que la colonne de
mercure baissait à mesure que l'air de la
cloche était évacué.
Les hémisphères de Magdebourg
C'est la très spectaculaire expérience des "
hémisphères de Magdebourg " qui rendit
Guericke très célèbre.
Deux hémisphères creux s'appliquent
exactement l'un à l'autre pour former une
Le premier, il fit la distinction entre le poids
de l'air et ce qu'il appela sa "force élastique
". " L'air, disait-il, agit comme un ressort: il
a d'autant plus tendance à se détendre qu'il
est comprimé". L'atmo-sphère, comme une
très haute colonne de laine posée sur le sol,
s'écrase sous son propre poids. L'air au
niveau de la mer est plus "tassé" qu'en altitude. Sa "force élastique " qui exprime sa
tendance à se détendre y est donc plus
grande.
Le ballon de baudruche
Boyle plaça un petit ballon de baudru-che à
peine gonflé sous une cloche en verre. En y
raréfiant l'air à l'aide d'une pompe aspirante,
il constata que le ballon " gonflait ". Pour
Boyle, l'air de la cloche, moins tassé que
celui du ballon, a aussi moins tendance à se
détendre. C'est pourquoi il est repoussé par
l'air du bal-lon qui gonfle alors (fig.8).
Fig. 6. - Expérience démontrant l'existence
de la pression atmosphérique.
Hémisphère de Magdebourg.
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Fig. 7. - Les hémisphères de Magdebourg
Fig. 8. - Expansibilité des gaz
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L'explication moderne de ce phénomènene
sera donnée qu'au XVII ème siècle par
Daniel Bernoulli
son étant plus élevée, les ali-ments cuisent
plus vite. De même, au fond des océans on
peut trouver des sour-ces hydrothermales où
l'eau, bien qu'elle soit à 350 °C, reste liquide.
L'expérience du " tube de Newton "
A l'inverse, à 5500 m d'altitude où la pression est de 380 mm de mercure, l'eau bout à
80 °C. D'ailleurs, pendant long-temps, la
mesure de la température d'ébullition lors
des expéditions en haute montagne constituait un bon moyen pour la détermination de
l'altitude.
Boyle montra également que dans le I vide
un corps léger et un corps lourd tom-bent à
la même vitesse. Ainsi, il donna raison à
Galilée mais aussi à Lucrèce qui écrivait il y
a près de deux mille ans :
" ... tous les atomes doivent, à travers le vide
inerte, être emportés d'une vitesse égale
malgré l'inégalité de leur pesanteur ".
En plaçant de l'eau à 20 °C sous une clo-che
en verre et en abaissant la pression à 15 mm
de mercure, elle entre en ébulli-tion, car,
sous cette pression, la température d'ébullition n'est que de 18°C. Lors du passage de
l'état liquide à l'état gazeux seules les
molécules suffisamment agi-tées parviennent à s'extraire du liquide, en empruntant de
l'énergie aux autres.
En effet, si dans la vie courante une bille
tombe plus vite qu'une boule de polystyrène
de même taille, c'est en rai-son de la résistance de l'air qui freine iné-galement la chute
des objets de densités différentes.
L'ébullition de l'eau tiède
Sans apport de chaleur, l'agitation moyenne
des molécules du liquide ne peut donc
qu'aller en diminuant. Le liquide se refroidit
au cours de son ébulli-tion et lorsque la température atteint une limite suffisante,
le liquide gèle.
Dans une autre expérience, Boyle observa
l'ébullition à basse pression de l'eau tiède et
le refroidissement qui l'ac-compagne. En
effet, c'est seulement sous une pression de 1
atmosphère (soit 760mm de mercure) que
l'eau bout à 100 °C.
Lorsqu'on chauffe de l'eau, celle-ci commence par s'évaporer à l'intérieur de petites
bulles d'air sur les parois du réci-pient. A
mesure que la température s'élève, la pression de la vapeur à l'inté-rieur de ces bulles
augmente et lors-qu'elle atteint une valeur à
peu près égale à celle de la pression externe
s'exerçant sur la surface de l'eau, les bulles
repous-sent l'eau et grossissent brutalement.
C'est l'ébullition. Ces bulles de vapeur peuvent donc vaincre la pression externe d'autant plus facilement que celle-ci est faible.
C'est pourquoi la température d'ébullition
croît avec la pression.
Dans un autocuiseur la pression peut atteindre 2 atmosphères. Or, sous cette pression
l'eau bout à 120°C. La tempéra-ture de cuis-
Fig. 9. - Machine pneumatique de Carré.
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Quelques expériences .
illustrant le principe de Bernoulli
A la fin du siècle dernier, on vendait sous le
nom de " Machine de Carré " de petits
appareils fabriquant de la glace sur ce
principe (fig. 9).
- Une expérience avec deux lames incurvées
Daniel Bernoulli et les bases de la
théorie cinétique des gaz
En soufflant de l'air entre deux lames I d'aluminium incurvées et suspendues de façon
à se présenter leurs parties convexes, celuilà est contraint d'accélé-rer au niveau du
rétrécissement (de même qu'en écrasant
légèrement l'extré-mité d'un tuyau d'arrosage on contraint l'eau à s'écouler plus
rapidement: le jet
porte plus loin).
L'accélération, accompa-gnée d'une diminution locale de pres-sion, provoque le rapprochement des lames. Si les lames se
touchent, l'air ne peut plus passer, elles s'écartent alors, l'air passe, et ainsi de suite. Le
même phé-nomène peut se produire dans un
vais-seau sanguin dont la section est réduite
par une plaque d'athérosclérose.
Pour sa théorie élastique de l'air, Boyle était
fortement critiqué en particulier par le
philosophe T. Hobbes. En effet, l'origine de
cette élasticité demeurait obs-cure.
Au XVIIIème siècle, Daniel Bernoulli
apporta la réponse. En l738, il parvint à
retrouver la loi de Boyle-Mariotte (à température constante, la pression d'une même
quantité de gaz est inversement proportionnelle à son volume) en suppo-sant que les
gaz. sont formés d'innombra-bles particules
et que la pression d'un gaz enferm6 dans une
enceinte est due aux chocs répétés de ces
particules sur les parois. Il jeta ainsi les
bases de la théorie cinétique des gaz qui sera
approfondie au XIX ème siècle par Maxwell
et Boltzman.
Si l'on répète l'expérience avec une seule
lame, on constate que le jet d'air attire la
lame. Cet effet s'apparente à l'at-traction que
l'on observe lorsqu'on effleure un jet d'eau
avec la partie bom-bée d'une cuillère ou avec
une bille tenue au bout d'une ficelle. En
effet, la cour-bure contraint les filets d'eau à
accélérer, ce qui provoque une dépression
respon-sable de l'attraction.
Le ballon de baudruche de Boyle, revu et
corrigé
Tant que les chocs de l'air enfermé dans le
ballon sont compensés par ceux de l'air
extérieur, le volume du ballon ne change
pas.
- La boule en lévitation
C'est ce même effet qui permet de maintenir
une boule légère en lévitation, grâce au jet
d'air d'un sèche-cheveux pourtant très
incliné; la boule en tom-bant se décentre par
rapport à l'axe du jet (fig. 10). La partie
inférieure de la boule se trouvant alors pratiquement à la pres-sion atmosphérique,
l'essentiel du jet dévié par la boule passe audessus d'elle en y créant une dépression qui
attire la boule en compensant son poids.
En raréfiant l'air sous la cloche, les chocs à
l'intérieur du ballon, plus nombreux, l'emportent et le ballon gon-fle. C'est pour cette
même raison que la séparation des hémisphères de Magde-bourg devient facile
lorsqu'on laisse l'air pén6trer dans la sphère.
Le principe de Bernoulli
Bernoulli montra que dans un fluide en
écoulement dont le débit est constant, toute
augmentation de vitesse (due à un rétrécissement ou une courbure par exemple) se fait
au détriment de la pression, plus faible là ou
la vitesse est plus grande.
Cette expérience permet également de comprendre pourquoi les toits en double pente
des maisons sont arrachés par un vent
violent.
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L'apparition des bombes atomiques a suscité
un regain d'intérêt pour l'étude de ces tourbillons. En effet, l'explosion d'une telle
bombe se caractérise par la formation d'un "
champignon " dont la structure rappelle celle
d'un rond de fumée. Le champignon s'élève
à grande vitesse et atteint une hauteur de
plusieurs kilomètres.
Si l'on communique à un ballon de baudruche une vitesse de 5 à 10 mètres par seconde il parcourt une distance de 1 à 2 mètres.
Or, si l'on projette, avec la même vitesse, la
même masse d'air mais sous forme d'anneau
tourbillonnaire, elle parcourt une distance
beaucoup plus grande.
En effet, l'anneau n'étant pas parfaite-ment
délimité, la vitesse à sa frontière floue avec
l'air ambiant immobile varie continûment.
Fig. 10. - Boule en lévitation.
Du fait de la continuité, les frottements sur la
" frontière " de cette masse d'air sans
enveloppe sont bien plus faibles que pour la
masse d'air contenue dans le bal-lon. La
résistance est donc plus petite, et la distance
parcourue est plus grande.
- Les vaporisateurs
Dans un vaporisateur, la dépression créée
par le jet passant dans une buse rétrécie
aspire le liquide à vaporiser par un tuyau
débouchant au col du rétrécisse-ment
(phénomène de Venturi).
Pour visualiser de tels anneaux tourbil-lonnaires on peut donner un coup sec sur le fond
élastique d'une caisse (boîte de conserve par
exemple) remplie de fumée et dont le couvercle est troué en son cen-tre : un anneau de
fumée est alors projeté à grande vitesse
(fig.11).
Pour l'air enfumé qui sort de la caisse, le trou
constitue une discontinuité qui contraint l'air
à s'enrouler pour former un anneau. En sortant par le trou, la fine cou-che d'air en contact avec le bord est ralen-tie par les frottements. De plus, elle a ten-dance à se coller
sur la surface (externe) du couvercle. Mais
entraînée par le jet central plus rapide, elle se
décolle, créant ainsi une dépression. L'air
aspiré par cette dépression rebrousse alors
son che-min en amorçant un mouvement circulaire qui se maintiendra par la suite.
L'anneau tourbillonnaire ainsi formé avance
sur sa lancée.
- Les ronds de fumée
Le principe de Bernoulli est également
responsable de la stabilité des ronds ( ou
anneaux) de fumée. Au XIX ème siècle,
avec la naissance de l'électromagnétisme, on
s'intéressa beaucoup aux écoulements tourbillonnaires. En effet, les équations qui les
décrivent sont analogues à celles de l'électromagnétisme. Helmholtz étu-dia les ronds
de fumée, un type particulier d'écoulement
tourbillonnaire. Kelvin essaya de constituer
un modèle tourbil-lonnaire de l'atome, mais
ses tentatives se soldèrent par un échec.
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Fig. 11. - Anneaux de fumée obtenus en frappant le fond en caoutchouc d'une boîte à fumée présentant une
ouverture circulaire. Ces anneaux se propagent jusqu'à une distance qui peut atteindre 15 mètres
Un mouvement circulaire nécessite une
force centrale. Dans le cas de l'an-neau,
celle-ci est due à une dépression à l'intérieur
de l'anneau. En effet, dans une section de
celui-ci les particules tournent d'autant plus
vite qu'elles sont proches du centre de la section. La diminution de pression qui accompagne cette augmen-tation de vitesse assure
la stabilité de la structure annulaire.
tube en verre de 90 cm de long. Il vit alors
dans tout le tube une lueur évoquant une
aurore boréale.
Au XIX" siècle, Faraday reprit les expériences de décharges à basse pression de
Watson, de Franklin et de l'abbé Nollet.
Mais, limité par les pompes de son épo-que
qui ne pouvaient guère abaisser la pression
en dessous de 1 millimètre de mercure, il
n'alla pas très loin dans cette voie (fig. 12).
Le vide et l'électricité
Vers 1850, un mécanicien allemand,
Geissler, fabriqua une nouvelle pompe très
simple et très efficace, permettant d'abaisser
la pression à quelques centiè-mes de millimètre de mercure.
Depuis l'invention de Torricelli et la généralisation du baromètre on avait remarqué
qu'en secouant celui-ci ou en frottant la
région du tube où régnait le " vide ", de
faibles lueurs bleuâtres étaient visibles dans
l'obscurité.
On observa alors qu'à de telles pres-sions la
lumière émise dans des ampoules luminescentes disparaissait presque com-plètement
et qu'il n'en subsistait qu'une " belle lueur
verte énigmatique " sur les parois en verre
des ampoules. Par la suite, on découvrit la
cause de cette lueur. Par-tant de l'électrode
négative (la cathode), des rayons (rayons
cathodiques dont on sait aujourd'hui qu'il
s'agit d'électrons) se propagent en ligne
droite et excitent la fluorescence du verre (la
lueur verte).
Au début du XVIII ème siècle, Hauksbee
montra que cette " lumière barométri-que "
est un phénomène électrique dont l'origine
est l'électrisation par le frotte-ment. Il vida
partiellement l'air contenu dans une boule en
verre et, en la frottant, observa de belles
lueurs à l'intérieur.
Vers 1750, à l'aide d'une machine élec-trostatique, Watson fit passer un courant électrique dans l'air à basse pression d'un
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abaissant la pression, une " chenille "
lumineuse violette se forme entre les électrodes. En abaissant davan-tage la pression,
la " chenille " grossit, pâlit et une lueur
mauve envahit tout le tube. A une pression
encore plus basse (10 millimètres de mercure environ), cette lueur disparaît et la
décharge pré-sente alors un aspect très inhomogène.
De la cathode à l'anode (électrode posi-tive)
on peut observer principalement trois zones
de couleurs et de tailles très différentes :
- une gaine lumineuse bleue (appelée
lumière négative) qui enveloppe la cathode
- une région sombre de quelques centimètres
de long (appelée " espace obscur de Faraday
")
- une colonne lumineuse striée (appelée "
colonne positive " ) qui aboutit à l'anode.
On peut expliquer ces trois zones de la
manière suivante: des ions positifs pré-sents
dans le tube sont attirés par la cathode. La
pression étant faible, les col-lisions sont relativement peu nombreu-ses et ces ions
acquièrent une grande vitesse. En entrant en
collision avec la cathode, ils lui arrachent
des électrons. Ces derniers, en accélérant
vers l'anode, entrent en collision avec les
ions positifs i très nombreux près de la cathode. 11 en i résulte une abondante émission
de i lumière: c'est la lumière négative.
Fig. 12. - L’oeuf électrique :
aspect de la décharge dans l’air à basse pression.
Expérience de décharges à basse pressions
jusqu'à quelques millimètres de mercure)
Tout en se dirigeant vers l'anode les électrons ayant perdu leur vitesse dans la région
de la lumière négative ne peuvent plus
exciter, ni ioniser: c'est l'espace de Faraday
où les électrons peuvent de nou-veau
accélérer.
Pour obtenir une étincelle d'un centi-mètre
de long entre deux électrodes pla-cées à l'air
libre (1 atm) il faut imposer une tension de
l'ordre de 10000 volts. Sous cette même tension, si les électro-des sont à un mètre rune
de l'autre, on n'observe rien: la résistance de
l'air est trop grande.
A la sortie de cette zone ils ont une vitesse
suffisante pour pouvoir de nou-veau ioniser.
Ils entrent alors dans la colonne positive où
ils peuvent alternati-vement ioniser, accélérer, ioniser...
Toutefois, si les électrodes sont placées dans
un tube transparent relié à une pompe, en
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Si quelque sage eût dit: " Regarde autour
de toi,
Homme faible ! de l'air l'océan t'environne,
Sur toi pèse en tous sens sa fluide
colonne! "
Mais la raison bientôt, venant le rassurer,
Lui dit: " Cet océan dont l'air vient
t'entourer,
Lui-même t'appuyant contre sa masse
immense,
Par un juste équilibre au dehors se balance,
Et l'air intérieur, par un contraire effort,
De sa force élastique exerce le ressort.
Sans elle, au même instant, de ta mortelle
argile,
Sa masse écraserait l'édifice fragile. "
C'est pourquoi la. colonne se présente sous
forme d'une suite de bandes alterna-tivement
lumineuses et sombres.
En abaissant encore plus la pression, la
lumière négative s'éloigne de la cathode et
ainsi apparaît une deuxième région I sombre: l'espace obscur de Crookes. I Celui-ci
s'agrandit à mesure que la pression baisse, et
à 0,01 mm il occupe tout le tube. C'est à ce
stade que les parois du tube émettent par fluorescence une lueur verdâtre. A 0,001 mm
de mercure la fluo-rescence disparaît. La
résistance est très grande. En effet, si en
raréfiant l'air on facilite la circulation des
ions ( diminution de la résistance), en le
raréfiant trop on rend l'air trop pauvre en
molécules et ions pour qu'une décharge
puisse s'éta-blir.
K.F.
Jacques Delille
Les expériences décrites dans cet article ont été rassemblées sur un stand itinérant conçu et réalisé par
les services techniques et le département physique du
Palais de la découverte. Pour tout renseignement
concernant ce stand et les conditions de son itinérance, téléphoner au 01 40748102.
Au XVII ème siècle, l'abbé Jacques Delille
(1738-1813) réalise une expérience de
poésie.
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