Prévoir où sortent les bulles

En soufflant avec des pailles dans deux colonnes de liquide en même temps, on peut montrer que la pression dans un liquide dépend de la hauteur du liquide et de sa masse volumique.

Fiche d’accompagnement de l’expérience:
 

Matériel
  • 2 verres identiques ;

  • 2 pailles identiques ;

  • un récipient, de préférence avec un bec verseur ;

  • éventuellement une solution saturée de sel (concentration : environ 350 g.l-1) ;

  • éventuellement une solution très concentrée de sucre (environ 50 g de sucre pour 100 ml d’eau) ;

  • éventuellement de l’alcool à brûler et du pétrole lampant.

Montage et réalisation

Verser de l’eau jusqu’au tiers dans le premier verre et jusqu’aux deux tiers dans le deuxième.
Dans chacun des verres, placer une paille dont l’extrémité touche le fond du verre, mais en biais afin que le fond du verre ne bouche pas la paille (voir la photo).
Souffler simultanément dans les deux pailles, sans les déplacer, en augmentant doucement la pression de l’air expiré jusqu’à ce que des bulles apparaissent dans l’un des verres.
C’est toujours dans le verre le moins plein qu’apparaissent les bulles (photo).
Rajouter de l’eau dans le premier verre jusqu’au même niveau que dans le deuxième.
Maintenant, il se passe exactement la même chose dans les deux verres : soit on ne souffle pas assez fort et il ne se passe rien, soit on souffle assez fort et des bulles s’échappent des deux côtés).
Rajouter de l’eau dans le premier verre pour que son niveau soit supérieur à celui du deuxième verre : c’est dans le deuxième verre qu’apparaissent maintenant les bulles quand on souffle.
Pour une belle présentation de cette expérience, on peut verser de l’eau lentement et en continu dans le premier verre pendant que l’opérateur souffle.

Une variante de cette expérience consiste à remplir les verres au même niveau mais avec des liquides de masses volumiques différentes. Dans ce cas, les bulles apparaissent toujours dans le liquide dont la masse volumique est la plus faible (il faut que les masses volumiques des deux liquides diffèrent d’au moins 0.2 ). On peut ainsi vérifier que l’eau salée et l’eau sucrée ont une masse volumique supérieure à celle de l’eau pure. Le tableau ci-dessous reprend les valeurs des masses volumiques de liquides courants :

Explications

La pression au fond du verre i est :

(1)

( : pression atmosphérique ; : masse volumique du liquide ; g : intensité de la pesanteur ; : hauteur de liquide dans le verre i).
Dans la première expérience, les deux verres contiennent le même liquide (de l’eau), mais les hauteurs de liquide sont différentes. La relation (1) montre que c’est dans le verre qui est le moins rempli que la pression au fond est la plus faible.
Lorsqu’on souffle dans une paille, la pression de l’air dans la paille est partout la même. Lorsqu’on continue à souffler la pression de l’air dans les pailles augmente. Il arrive un moment où sa valeur dépasse la valeur de la pression du liquide au fond du verre : les bulles d’air peuvent alors s’échapper dans le liquide.
Si l’on souffle très fort dans les pailles, la pression de l’air dans celles-ci continue à augmenter car l’air ne peut pas s’évacuer très vite avec les bulles : on voit alors des bulles apparaître également dans le récipient où le niveau de liquide est plus élevé. Cet effet est d’autant plus visible que les niveaux de liquide dans les deux verres sont proches.
Dans la deuxième expérience réalisée avec des liquides de masses volumiques différentes, les bulles apparaissent dans le liquide de masse volumique la plus faible car la pression au fond y est plus faible, toujours d’après la relation (1).

Remarques

Autre expérience sur le même thème : « Comment remplir une boîte de lait concentré ? ».

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