L’air ce n’est pas rien

On montre au moyen de deux verres que l’air est invisible mais qu’il occupe un volume.

Fiche d’accompagnement de l’expérience:
 

Matériel
  • une bassine avec de l’eau ;

  • 2 verres ;

  • du coton (ouate), un mouchoir en papier, une rondelle de liège, une balle de ping-pong ou un objet flottant de petite taille ;

  • un porte-filtre de cafetière en plastique transparent.

Montage et réalisation
  • (a) Verser de l’eau dans une bassine sans la remplir complètement. Placer un morceau d’ouate dans un verre (ou bien un mouchoir en papier froissé en boule), de telle sorte qu’il reste accroché au fond. Tenir le verre ouverture vers le bas et l’enfoncer verticalement dans l’eau jusqu’au fond de la bassine : l’eau ne pénètre pas dans le verre. Sortir le verre de la bassine en le tenant toujours verticalement : le coton (ou le mouchoir en papier) est sec.

  • (b) Introduire un verre dans l’eau, le laisser se remplir d’eau et le tenir verticalement dans l’eau, ouverture vers le bas. Introduire un deuxième verre verticalement dans la cuvette, ouverture vers le bas, puis l’incliner sous le premier pour transvaser complètement l’air du deuxième verre dans le premier (voir la photo).

Explications

Dans le verre qui contient le morceau de coton, il y a aussi de l’air. Pour remplir ce verre avec de l’eau, il faut faire partir l’air qui s’y trouvait. En utilisation habituelle, par exemple lorsqu’on verse de l’eau dans un verre « vide » (c’est-à-dire plein d’air), l’eau chasse l’air en remplissant le verre, puisque l’eau, dont la densité est supérieure à celle de l’air, coule dans le fond sous l’air qui s’échappe en haut par l’ouverture du verre. Dans l’expérience (a), l’air ne peut pas s’échapper par le bas du verre car sa masse volumique est inférieure à celle de l’eau (par le haut c’est aussi impossible car c’est fermé). L’eau ne peut pas remplacer l’air dans le verre donc l’air reste dans le verre. Si l’on descendait le verre rempli d’air à une grande profondeur dans l’eau, la pression augmentant avec la profondeur, il y aurait une diminution du volume de l’air dans le verre et on pourrait faire monter le niveau de l’eau dans le verre, mais sans jamais réussir à remplir complètement le verre avec l’eau.

Dans l’expérience (b), l’inclinaison du verre rempli d’air permet à l’air de s’échapper, et à l’eau de le remplacer. Les bulles d’air qui quittent le premier verre vont s’accumuler dans le deuxième verre et en chasser l’eau puisque l’air, plus léger, monte dans le haut du verre. Ce transvasement d’air sous l’eau est analogue au transvasement de l’eau d’un verre dans un autre « dans l’air ».

Remarques

Dans l’expérience (a), pour montrer que l’air reste dans le verre, on peut remplacer la ouate par un objet qui flotte à la surface de l’eau (rondelle de liège ou balle de ping-pong). Renverser le verre dans l’air et l’introduire dans l’eau en emprisonnant l’objet flottant : celui-ci sert d’indicateur de niveau d’eau et permet de vérifier aisément que l’eau ne pénètre pas dans le verre.

Un auteur propose même d’emprisonner des mouches dans le verre d’air renversé !.

Dans l’expérience (a), on peut remplacer le verre renversé par un porte-filtre de cafetière en plastique transparent dont on bouche les trous d’écoulement avec le doigt. On peut dans, un deuxième temps, ne pas boucher les trous et introduire lentement le porte-filtre dans l’eau : l’air sort en haut par les trous et l’eau entre par le bas ; le niveau de l’eau est le même à l’intérieur du porte-filtre et à l’extérieur.

C’est ce même principe qui intervient dans les cloches de plongée qui jouent en fait le même rôle que le verre, mais à l’échelle d’une personne. L’air qui y est emprisonné en quantité limitée ne permet d’y respirer que pendant une durée limitée. On a pu voir dans une émission de télévision une personne faire du vélo au fond du Rhin sous une cloche de ce type.

Cette expérience permet de bien montrer que l’air ce n’est pas rien (c’est-à-dire que c’est différent du vide). Comme le vide, l’air n’est pas visible dans les conditions habituelles (et pourtant le bleu du ciel c’est de l’air visible). Cependant il en diffère fondamentalement car il contient de la matière (des molécules) et a donc une masse, alors que le vide ne contient pas de molécule et n’a donc pas de masse.

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