Expériences amusantes

Expériences
amusantes
Université de Paris-Sud
Tourne la terre !
Fabriques un pendule comme sur la photo : une boule de pâte à
modeler attachée à un pinceau et fixée sur une petite voiture.
Pose la voiture sur une surface bien lisse, approche le pendule
du pinceau et lâche le.
Fais rouler doucement la voiture en suivant un grand cercle et
en l’arrêtant de temps en temps pour observer le mouvement
du pendule.
Le pendule ne tourne pas avec la voiture ! Il se balance presque toujours dans la même direction !
La voiture tourne grâce à toi, aux frottenents de ta main qui la
tient et et aux frottements de ses roues sur le sol.
La boule de pâte à modeler, elle, ne tient que sur l’air. Elle continue son mouvement de
balancement dans la même direction.
Même s’il se déplace, le pendule continue le mouvement de balancement qu’il effectuait
déjà avant qu’on ne fasse rouler la voiture. S’il se décale un peu, c’est parce que la boule
n’est pas très lourde et subit l’entraînement du fil qui suit le mouvement du pinceau.
C’est presque comme cela qu’en 1851, le français Léon Foucault prouva que la terre tour- Essaye de faire ton expérience avec :
nait sur elle-même !
une petite voiture
Il suspendit une masse de 30 kilos à un fil de 60 mètres de long . Une fois mis en mouveun pinceau
ment ce pendule se balançait pendant plus d’une journée. Foucault ajoura au bas de la
de la pâte à modeler
masse une pointe qui traçait des lignes dans du sable. Au fur et à mesure que le temps
20 cm de fil à coudre
passait les lignes tracées se décalaient. Puisu’un pendule conserve la direction de son banlancement, s’il semble tourner, cela prouve que le bâtiment sur lequel il est fixé tourne. Donc que
la terre tourne !
Thermomètre à eau
Un thermomètre dans une bouteille !
Fais faire un trou dans le bouchon de ta bouteille. La paille doit pouvoir passer dans
ce trou.
Remplis la bouteille aux 3/4 avec de l’eau colorée, visse le couvercle puis introduis la
paille par le trou jusqu’à ce qu’elle trempe dans l’eau sur une hauteur de 1 cm.
Utilise de la pâte à modeler pour sceller la paille dans le trou. Cela empêchera l’air de
sortir de la bouteille.
Entoure la bouteille de tes mains et tiens-la pendant quelques minutes : à mesure
que tes mains chauffent l’air contenu dans la bouteille, il se dilate et oblige l’eau à
monter dans la paille.
Les mains les plus chaudes feront monter l’eau plus haut !
Si tu mets moins d’eau dans la bouteille, elle montera plus haut parce qu’il y a plus
d’air dans la bouteille.
Essaye de faire ton expérience avec :
Une bouteille en plastique
de l’eau colorée avec quelques gouttes
de colorant alimentaire
une paille
un clou et un marteau
un peu de pâte à modeler
Sauce à bulles
Tu dois réussir, par un savant dosage digne des plus grands chimistes bidouilleurs,
à faire une belle grosse bulle d’huile en plein milieu du verre.
Pour faire une grosse bulle d’huile, commence par verser de l’eau et de l’alcool
(un peu plus d’alcool que d’eau). L’eau et l’alcool se mélangent. Maintenant verse
tout doucement de l’huile dans le mélange (tu peux t’aider d’une paille).
L’huile descend dans le mélange, et prend une jolie forme sphérique (en boule).
Si l’huile remonte trop à la surface, mets plus d’alcool.
Si elle descend trop bas dans le verre, mets plus d’eau.
Si on verse de l’eau puis de l’huile dans le verre, ou de l’huile puis de l’alcool, les
deux produits ne se mélangent pas, et il y en a un qui va au-dessus de l’autre.
Il y a deux explications à cela :
Tout d’abord, il faut savoir qu’il y a des produits qui se mélangent, et d’autres qui ne se mélangent
pas (on dit que ces produits sont miscibles, ou qu’ils ne le sont pas). Par exemple, l’eau et l’huile ne
sont pas miscibles, l’huile et l’alcool non plus.
Ensuite, les produits n’ont pas tous la même densité : c’est-à-dire que si tu remplis une bouteille
d’1 litre avec de l’eau, une autre avec de l’huile, et une troisième avec de l’alcool, et que tu les poses
sur une balance, tu n’observes pas le même résultat : un litre d’eau est plus lourd qu’un litre d’huile,
qui est plus lourd qu’un litre d’alcool. On dit que l’eau est plus dense que l’huile, et que l’huile est
plus dense que l’alcool.
Quand tu mets dans un même verre deux produits qui ne peuvent pas se mélanger, et qui n’ont
pas la même densité, le plus dense va au fond du verre, et le moins dense au-dessus. Maintenant
que se passe-t-il si tu mets dans le même verre de l’eau et de l’alcool? L’eau et l’alcool n’ont pas la
même densité (l’alcool est moins dense)... mais l’eau et l’alcool sont parfaitement miscibles! Il n’y
en a donc pas un qui va au fond et l’autre au-dessus, les deux produits se mélangent.
Et la densité du mélange? Et bien elle va se situer entre la densité de l’eau et celle de l’alcool. Le
mélange sera plus léger que l’eau, mais plus lourd que l’alcool.... comme l’huile. Résultat : quand
tu mets un peu d’huile dans ce mélange, l’huile se retrouve dans un produit qui a approximativement la même densité qu’elle, elle ne va donc ni au-dessus ni en-dessous, elle s’arrête au milieu du
verre.
Mais pourquoi cette forme de boule? L’huile ne peut se mélanger ni avec l’eau, ni avec l’alcool.
Elle ne peut pas non plus se mélanger avec un mélange des deux. Elle reste donc séparée de ce
mélange qui l’entoure.
Essaye de faire ton expérience avec :
Un verre.
De l’eau.
De l’huile.
De l’alcool à brûler
Pour finir de comprendre, un petit principe de
mécanique des fluides : quand un objet ou une
matière quelconque se trouve dans un fluide
(une matière ou un mélange de matières qui
prend la forme du récipient dans lequel on le
verse), cet objet ou cette matière reçoit de la
part de ce fluide une pression (une force) qui
lui appuie dessus avec la même intensité de
tous les côtés. C’est le cas de notre huile : le mélange eau+alcool lui appuie dessus de tous les
côtés avec la même force. Comme l’huile peut
se déformer (elle n’est pas solide), cette pression
lui donne une forme sphérique (une forme de
boule).
Verre à l’envers
Découpe un morceau de bas ou de collant un peu plus grand
que l’ouverture du verre.
*
Tends-le bien sur le verre, sans le déchirer, et fixe-le aux bords
avec plusieurs tours de scotch électrique.
*
Maintenant si tu verses de l’eau sur le bas, va-t-elle passer au travers?
La réponse est oui. Remplis le verre jusqu’en haut à travers le bas pour prouver qu’il n’est
pas imperméable.
*
Maintenant bouche bien le verre avec la paume d’une de tes mains, et avec l’autre main
retourne -le en le gardant bien bouché.
*
Que va-t-il se passer si tu retires ta main? Réponse : absolument rien ! L’eau reste dans le
verre, et tu peux observer que le bas se creuse vers l’intérieur.
Pourtant le bas n’est toujours pas imperméable : si tu inclines un peu le verre, l’eau coule...
La pression de l’air sur tous les objets qui nous entourent ne se fait pas sentir que du haut vers le
bas. Elle s’exerce dans toutes les directions, et même du bas vers le haut. Quand tu retournes le verre,
l’air appuie donc sur la surface de l’eau. Il faut que tu saches que la force de cet air est d’à peu près
1kg pour chaque petit carré de 1centimètre de côté. Ce qui veut dire que l’air pousse avec une force
de plus de 20 kg sur la surface d’un verre de 7 centimètres de diamètre ! Tu peux d’ailleurs observer
l’effet de cette poussée, qui fait rentrer le bas vers l’intérieur du verre.
Or il y a bien moins de 20 kilos d’eau dans ton verre (tout au plus 200 à 250 grammes). L’air est donc
le plus fort, et l’eau ne peut pas tomber.
A quoi sert alors le bas ? En fait, théoriquement à rien... si on arrivait à avoir dès le début de l’expérience un verre parfaitement immobile, sans le moindre petit mouvement aussi minuscule soit-il.
Cette condition est hélas impossible à avoir, et le moindre mouvement permet à l’air de se retrouver
derrière l’eau dans le verre. La pression étant alors la même dans le fond du verre et à l’extérieur,
c’est le poids de l’eau qui l’emporte, et elle s’échappe. C’est ce qui se passe par exemple quand tu
inclines le verre.
Le bas sert donc uniquement à contrecarrer les effets gênants des mouvements du verre, en retenant un tout petit peu l’eau.
Essaye de faire ton expérience
avec :
Un verre
de l’eau
un morceau de collant ou de
bas
du scotch électrique
des élastiques
Tête de marshmallow
faire sourire un marshmallow dans une bouteille !
Dessine une tête sur l’une des faces d’un marshmallow. Place le dans
une bouteille en verre.
Entoure une paille (à 2,5 cm du bout) avec de la pâte à modeler et
fixe-la sur le goulot de la bouteille, avec le petit bout à l’intérieur.
Mets toi face à un miroir pour voir le dessin sur le marshmallow.
Aspire l’air de la bouteille.
Le visage te sourit !
Arrête d’aspirer l’air et le visage redevient celui du début.
Le marshmallow est un solide spongieux avec de l’air coincé dans ses
minuscules trous. En aspirant l’air de la bouteille on diminue la pression à l’intérieur ce qui provoque l’expansion du marshmallow.
En enlevant la paille de sa bouche l’air se rue à nouveau dans la bouteille , augmentant la pression et redonnant au marshmallow sa forme initiale.
Essaye de faire ton expérience avec :
un bonbon «marshmallow»
un crayon
une paille
de la pâte à modeler ou de l’argile
un miroir
Attrape un oiseau
un oiseau dans une cage !
dessine sur un rectangle un oiseau, dessine sur l’autre
une cage.
Colle-les sur le stylo avec du ruban adhésif.
Fais tourner le stylo entre tes mains et regarde :
que vois-tu ?
Ton bel oiseau est en cage maintenant !
Pourquoi l’oiseau apparaît-il dans la cage ? C’est à
cause de tes yeux et de ton cerveau ! Quand tu vois
l’image de l’oisau, ton cerveau l’enregistre (même si
l’image apparait et disparaît rapidement). La même
chose pour l’image de la cage. Les 2 images se superposent et l’on croit voir l’oiseau dans la cage.
Essaye de faire ton expérience avec :
deux rectangles de papier
un crayon
un stylo
du ruban adhésif
Une horloge à eau
Les Anciens déjà (Romains et Égyptiens) ont réalisé de nombreuses machines qui, à partir de l’écoulement de l’eau d’un vase dans un autre,
permettaient de mesurer le temps. On appelait ces machines des « clepsydres». Certaines étaient fort compliquées. En voici une qui, au contraire, est très simple à réaliser.
On place les deux verres comme indiqué sur le dessin. On dispose la
mèche de telle façon qu’elle aille du fond de l’un des verres au fond de
l’autre: elle joue alors le rôle d’un siphon établissant par capillarité la
communication entre les deux verres. On remplit alors le verre supérieur.
Peu à peu, la mèche se mouille et l’eau commence à couler très lentement du verre supérieur au verre inférieur. Il suffit alors de repérer les
niveaux d’heure en heure et de les marquer avec un trait de peinture sur
le verre pour avoir un moyen de mesurer le temps. En fin d’opération,
on inverse les deux verres pour que le cycle recommence. Il faudra faire
attention de ne pas changer la forme de la mèche car l’étalonnage obtenu dépend de cette mèche. La vitesse de remplissage augmente avec
la section de la mèche. On a ainsi un moyen d’ajuster la vitesse d’écoulement à la valeur désirée.
Essaye de faire ton expérience avec :
deux verres hauts
deux livres
une mèche de coton hydrophile
Fabriquer des grumeaux
Remplis à moitié les verres d’eau, puis verse dans l’un une pincée de farine, dans l’autre une pincée de
sel. Remue les mélanges avec les cuillers.
Le sel se mélange si bien à l’eau qu’il disparaît !
La farine rend l’eau blanchâtre et, après quelques minutes, se dépose au fond du verre.
Vide les verres, rince-les et remplis-les à moitié d’eau. Dépose une couche d’huile à la surface de l’eau,
dans les 2 verres. Verse une pincée de sel dans l’un et un pincée de farine dans l’autre verre. Aide la
farine et le sel à descendre au fond de l’eau avec l’extrémité des manches des cuillères. Attends une
minute puis remue les mélanges avec les cuillères.
Le sel se dissout à nouveau mais la farine forme des paquets de pâte blanche qu’on a du mal à émietter :
tu as réussi à faire de superbes grumeaux !
Le sel est très hydrophile : il se lie facilement à l’eau («hydro» veut dire eau et «phile» veut dire «qui
aime»). En revanche il ne peut se lier à l’huile. A l’inverse la farine repousse l’eau, elle est hydrophobe
(«phobe» veut dire «qui rejette») mais se lie facilement à l’huile. La farine et l’huile restent donc ensemble dans l’eau et se séparent difficilement.
Essaye de faire ton expérience avec :
deux verres
deux cuillères à café
du sel
de la farine
de l’huile
de l’eau
La force du papier
Comment faire tenir des livres à 20cm de la table avec juste
quatre feuilles de papier et un rouleau de scotch ?
Il suffit de fabriquer quatre rouleaux avec un feuille de papier enroulée et scotchée. On pose les quatre rouleaux l’un
près de l’autre et l’on peut s’amuser à empiler des livres
dessus... ça tient... du miracle !!
La feuille est capable de supporter un poids plus lourd quʼelle grâce à sa
forme cylindrique.
Lorsquʼune surface est soumise à lʼaction dʼune force, elle subit une pression caractérisée par la direction, le sens et lʼintensité de cette force.
Lorsque lʼon pose le livre sur les feuilles celles-ci sont donc soumises à une
force dirigée vers le bas, liée au poids du livre. Dans le cas du cylindre
cette force est répartie de façon égale sur toute la surface de sa paroi,
à condition que sa paroi reste intacte. La moindre déformation du papier
créerait un point où sʼaccumuleraient les tensions, au lieu de se répartir :
moins il y a de côté plus la forme est résistante.
On en voit des exemples dans la nature : les os, les troncs dʼarbres et toutes les colonnes et piliers des anciens monuments !
Essaye de faire ton expérience avec :
quatre feuilles de papier,
du scotch
un ou plusieurs gros livres
flotte le trombone
Comment faire flotter une aiguille ou un trombone sur de l’eau ?
Il suffit de poser très délicatement le trombone sur l’eau ! Si tu n’y arrives pas poses un petit carré de papier sur l’eau, sans tarder mets délicatement le trombone
au centre du papier, attends que le papier s’imbibe d’eau et finisse par couler et le
trombone flotte sur l’eau !
Tout d’abord, tu as pu remarquer que si tu ne posais pas le trombone assez délicatement à la
surface, il coulait.
C’est normal, car le métal dont il est constitué est plus lourd (plus dense) que l’eau.
Alors pourquoi flotte-t-il quand tu le poses doucement ?
Il faut que tes doigts et le trombone soient secs. S’il y a la moindre goutte d’eau sur le trombone, les molécules de la surface du verre vont immédiatement s’y accrocher, et le trombone
va se retrouver sous l’eau et couler au fond du verre.
Les molécules d’eau s’attirent entre elles. Chaque molécule d’eau attire et est attirée par ses
voisines avec la même force. Celle qui se trouve au milieu du verre attire donc celles du dessous, celles qui sont à côté... et celles qui sont au-dessus.
Mais les molécules qui sont à la surface? Elles attirent celles du dessous, celles qui sont à
côté... mais il n’y a personne au-dessus ! Du coup, elles utilisent la force qui devrait leur servir
à attirer les molécules de la couche supérieure pour se lier encore plus fort avec celles qui les
entourent.
Résultat : il existe à la surface de l’eau une sorte de membrane de molécules soudées très fort
entre elles, une espèce de «peau d’eau», qui permet à des petits objets comme ton trombone
de flotter, même s’ils sont normalement un peu trop lourds pour ça. C’est ce qu’on appelle la
tension superficielle.
De petits insectes utilisent cette propriété physique pour se déplacer à la surface des mares
ou des étangs.
Essaye de faire ton expérience
avec :
un verre.
de l’eau.
un trombone
un morceau de mouchoir en papier
Le bilboquet apprivoisé
Si tu possédes un bilboquet voici un petit « truc » qui ne manquera pas de
t’étonner par sa simplicité, en vous permettant d’atteindre à cet exercice des
scores inégalés.
Comment faire ? Rien de plus simple.
Alors que tu tiens le manche du bilboquet, torsade donc le fil au bout duquel la
boule pend verticalement. Lâches la boule, celle-ci se met à tourner.
Donne alors une secousse pour la lancer vers le haut ... tu réussiras pratiquement à tous les coups !
Pourquoi ?
Tu as utilisé, sans le savoir, sous cette forme amusante, un principe très important de la mécanique. Un objet lancé en rotation tend à conserver fixe l’axe
autour duquel il est lancé. C’est à cause de ce phénomène qu’une toupie posée
sur sa pointe ne tombe pas et que les gyroscopes peuvent servir dans les avions et les satellites de repères fixes d’orientation.
C’est à cause de ce phénomène que le trou de la boule en bois reste bien vertical et te permet donc de réussir sans difficulté, simple non ?
Essaye de faire ton expérience avec :
un bilboquet
Dôme d’œufs
Costauds les œufs cassés !
Perce les œufs à l’aide d’une pointe de stylo, vide-les.
Trace au crayon la ligne passant par la partie la plus renflée de l’œuf sur
laquelle tu fixes un ruban de scotch. Avec les ciseaux découpe la coquille
le long de la ligne.
Dispose les trois coquilles sur la table en interposant un linge épais et en
formant un triangle. Pose un second linge sur les coquilles.
Charge alors ces trois dômes avec des livres, mis en place délicatement
un par un.
Ètonnant de voir tout ce que ces minces coquilles supportent sans broncher !
On construit des dômes depuis plus de 2000 ans. La simplicité de cette
forme relève du magique quand on songe aux très grands surfaces qu’elle peut couvrir et à la minceur du matériau nécessaire. On parle de résistance de forme et de multiples toitures sont basées sur ce principe.
Essaye de faire ton expérience avec :
trois œufs crus
un crayon
du ruban adhésif type Scotch
une paire de ciseaux fins
Effet noix du Brésil
Remplis un bocal en verre avec du riz, poses dessus une balle de ping-pong,
puis enfonces-la dans le riz.
Maintenant essaie, sans mettre les doigts dans le bocal, de faire ressortir la
balle !
Il suffit de secouer le bocal d’avant en arrière pendant quelques secondes, et
la balle va réapparaître toute seule !
C’est ce que l’on appelle l’effet noix du Brésil. C’est l’expression utilisée pour
décrire ce qui se passe quand on secoue une boîte de noix assorties pendant
un certain temps. Après quelques secousses, les petites arachides se retrouvent au fond et les grandes noix du Brésil se retrouvent sur le dessus.
D’habitude, ce sont les grands objets denses qui se déposent au fond et les
objets légers qui se retrouvent sur le dessus. La différence avec les matériaux granulaires, c’est qu’ils s’écoulent. Et le sable, tout comme les liquides,
s’écoule.
Le mouvement de convection
Imaginez un contenant rempli de sable. Lorsqu’on le secoue de haut en bas,
les grains s’écoulent d’une façon spécifique. Chaque grain se déplace de bas
en haut par le centre, horizontalement à la surface, et de haut en bas le long
des parois. C’est ce qu’on appelle le mouvement de convection.
Si on ajoute une bille dans le sable, elle est emportée par le mouvement de
convection et monte à la surface. Mais elle y reste, car, étant plus grosse qu’un
grain de sable, les courants de convection sont trop étroits pour lui permettre de redescendre le long des parois avec le sable.
Essaye de faire ton expérience avec
un pot de confiture vide
du riz
une petite cuillère
une balle de ping-pong