Comment remplir une boîte de lait concentré ?

Une boîte de lait concentré vide peut servir à montrer que la pression dans un liquide augmente avec la profondeur.

Fiche d’accompagnement de l’expérience:
 

Matériel
  • une cuvette remplie d’eau ;

  • une boîte de lait concentré vide.

Montage et réalisation

Plonger dans l’eau une boîte de lait concentré vide dont le couvercle porte deux trous diamétralement opposés :

  • d’abord verticalement, avec les trous sur le dessus ;

  • ensuite verticalement mais avec les trous en dessous ;

  • finalement horizontalement avec les trous à la même hauteur.

Aucun de ces trois dispositifs ne permet de remplir la boîte. Faire alors pivoter horizontalement la boîte à partir de la troisième position pour qu’un trou se trouve plus haut que l’autre (voir la photo) : on voit immédiatement des bulles d’air s’échapper par le trou le plus haut. Simultanément, la boîte se remplit d’eau et finalement elle s’enfonce dans l’eau.

Explications

Pour que l’eau puisse entrer dans la boîte, il faut que l’air puisse en sortir (voir à ce propos l’expérience de mécanique des gaz « L’air ce n’est pas rien »).
L’air qui s’échappe par un trou doit avoir une pression supérieure à celle du liquide au niveau du trou.
La pression en un point augmente avec la profondeur de ce point sous la surface selon la relation :

( : masse volumique de l’eau ; : intensité de la pesanteur ; : profondeur du point sous la surface).
En deux points situés à la même profondeur, la pression est la même, quelle que soit l’orientation de la surface (voir à ce propos l’expérience « Désamorcer une bombe à eau ». C’est pour cette raison que la pression reste la même à la hauteur des deux trous et que l’air ne peut pas s’échapper tant que les trous sont à la même profondeur, qu’ils soient situés sur le dessus, sur le dessous ou sur le côté de la boîte. L’air ne peut s’échapper de la boîte que par le trou le plus haut alors que l’eau entre dans la boîte par le trou le plus bas.

Remarques

Pour introduire l’expérience, on peut demander à l’assistance pourquoi il faut toujours percer deux trous avant d’utiliser une boîte de lait concentré. Les spectateurs ont en général du mal à comprendre pourquoi dans les trois premières situations l’eau n’entre pas dans la boîte alors qu’on y a bien fait les deux trous nécessaires.
C’est le même thème qui est traité dans les expériences « Prévoir où sortent les bulles » et « Le tonneau percé ».

cette fiche a été vue 2982 fois