L’air chaud est plus léger

Deux cornets en papier d’aluminium et une longue baguette de bois faisant office de balance suffisent pour montrer que l’air chaud est plus léger que l’air  froid. Le principe de fonctionnement d’une montgolfière est ainsi expliqué à peu de frais.

Fiche d’accompagnement de l’expérience:
 

Matériel
  • 2 paquets de café vides (emballages un peu rigides recouverts d’aluminium)

  • une bougie (source de chaleur)

  • une baguette de lois légère pour servir de fléau de balance

  • de la ficelle fine et du ruban adhésif

Montage et réalisation

Coller un fil d’environ 5 cm sur le fond de chaque emballage de café.
Attacher les fils aux extrémités de la baguette de bois : les ouvertures des paquets de café sont donc dirigées vers le bas.
Attacher un fil au milieu de la baguette pour la suspendre (si possible à un crochet ou à un support de laboratoire, sinon tenir la ficelle à la main).
Equilibrer la baguette à l’horizontale si nécessaire en déplaçant le point d’accrochage du fil central.
Placer une source de chaleur sous l’un des paquets : le fléau de la balance penche de l’autre côté.

Explications

Examinons les forces qui s’exercent sur chaque paquet de café :
· Le poids , identique des deux côtés.
· La tension du fil d’accrochage.
· La force pressante exercée par l’air extérieur sur la face supérieure. Cette force, dirigée vers le bas, est la même sur les deux paquets de café car la pression de l’air extérieur est la même des deux côtés.
· La force pressante exercée par l’air intérieur sur la face supérieure du paquet.
Cette force, dirigée vers le haut, dépend de la pression de l’air intérieur au niveau de la face supérieure du paquet p(h) et de l’aire A de la face supérieure du paquet de café : .
L’état de l’air étant différent à gauche et à droite, sa pression n’est pas la même et par conséquent la valeur de la force n’est pas la même des deux côtés.
La pression intérieure de l’air en haut du paquet s’écrit :
du côté de l’air froid (à gauche)
du côté de l’air chaud (à droite)
est la masse volumique de l’air froid et ρC celle de l’air chaud.
L’air chaud étant moins dense que l’air froid,

et donc F est plus grande à droite qu’à gauche
( )
la balance s’incline du côté gauche.

Remarques

Si nous avons choisi des emballages de café pour cette expérience, c’est parce qu’ils sont légers tout en étant assez rigides pour que leur forme ne varie pas sous l’effet de l’air chaud.
Par ailleurs, ils sont recouverts d’aluminium : ils ne risquent donc pas de s’enflammer au contact de la flamme de la bougie.

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