Comment rassembler des jets d’eau ?

La tension superficielle de l’eau permet de « coller » en un jet unique des jets d’eau peu éloignés.

Fiche d’accompagnement de l’expérience:
 

Matériel
  • une bouteille de plastique (PET) ou tout récipient cylindrique en plastique assez résistant (hauteur approximative : 10 cm) ;

  • accessoires : un bec Bunsen, un clou (diamètre : environ 3 mm) et une pince.

Montage et réalisation

Fabriquer un récipient de forme cylindrique à partir d’une bouteille de plastique. La jonction entre la paroi latérale et le fond est arrondie sur la plupart des bouteilles. Couper le haut de la bouteille à environ 10 cm au-dessus de cet arrondi. Pour couper le plastique, on peut le faire fondre en passant dessus un clou chauffé dans la flamme d’un bec Bunsen.
Avec le même clou, percer cinq ou six trous dans la paroi latérale de la bouteille. Ces trous doivent se trouver à la même hauteur, environ 1 cm au-dessus de l’arrondi, et leurs centres doivent être distants d’environ 0,5 cm.
Placer le récipient sous le robinet et le remplir d’eau jusqu’à une hauteur d’environ 10 cm au-dessus des trous. Régler le débit du robinet pour que le niveau de l’eau dans le récipient reste constant lorsque l’eau s’écoule par les trous inférieurs.
On observe cinq jets d’eau séparés s’écoulant par les cinq trous (voir la photo 1). Passer un doigt horizontalement devant les jets (on peut aussi disposer la main en forme de coupe devant les jets d’eau , puis faire couler sur les trous l’eau qui s’est accumulée dans la main) : on voit alors les jets d’eau se rassembler en un jet unique (voir la photo 2) puis se séparer spontanément au bout de quelques instants. Cette opération peut être répétée autant de fois qu’on le souhaite. On peut aussi séparer les jets en passant un doigt devant, mais cette fois verticalement.
Si l’on n’arrive pas à rassembler les jets d’eau, c’est parce que la pression de l’eau à la sortie du récipient est trop grande. Si les jets ne se séparent pas après avoir été rassemblés, c’est parce que la pression est trop faible. On peut modifier la valeur de la pression en modifiant le niveau de l’eau dans le récipient.
La valeur de 10 cm qui a été préconisée auparavant pour le niveau de l’eau au-dessus des trous est une valeur indicative pour laquelle l’expérience réussit bien habituellement. Si cette valeur ne convient pas, il faudra déterminer par tâtonnements la valeur idéale pour le récipient utilisé.

Explications

Lorsqu’un système se trouve en équilibre stable, son énergie potentielle est minimale.
Les molécules d’un liquide exercent les unes sur les autres des forces attractives. Une molécule située à l’intérieur du liquide est attirée par les molécules voisines avec une intensité égale dans toutes les directions ; la résultante des forces auxquelles elle est soumise est donc nulle. Une molécule située à la surface du liquide subit une force résultante dirigée vers l’intérieur du liquide, elle possède donc une énergie potentielle supérieure à celle d’une molécule située à l’intérieur du liquide. C’est pour cette raison que l’eau tend à minimiser sa surface en rassemblant les 5 jets d’eau en un seul.
Pour dévier les jets d’eau extérieurs vers l’intérieur il faut exercer une force, donc augmenter l’énergie du système. Plus la force à exercer est grande, plus l’énergie supplémentaire est grande. La force à exercer augmente avec la valeur de la pression de l’eau à la hauteur des trous, donc avec le niveau de l’eau au-dessus des trous.
Ces deux phénomènes agissant sur l’énergie en sens contraires, il y a donc une valeur critique du niveau de l’eau dans le récipient au-dessus de laquelle l’énergie à apporter pour dévier les jets d’eau devient supérieure au gain d’énergie résultant de la diminution de la surface par rassemblement des jets. Si le niveau de l’eau dans le récipient est inférieur à cette valeur critique, le rassemblement des jets est la solution la plus favorable d’un point de vue énergétique. S’il est supérieur, c’est l’écoulement en cinq jets séparés qui devient la solution énergétiquement la plus favorable.
Pour un niveau peu supérieur au niveau critique le système présente un minimum relatif d’énergie potentielle lorsque les jets sont rassemblés en un seul : on peut alors effectivement rassembler les jets d’eau qui se séparent ensuite de nouveau sous l’effet de faibles perturbations.

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