Réaliser un ludion

Une petite éprouvette est immergée dans une bouteille de plastique ; lorsqu’on presse les parois de la bouteille, l’éprouvette monte ou descend au gré de la personne. Les trois lois de la statique des fluides sont réunies dans cette expérience.


Pour aller plus loin, relancer la même vidéo enrichie de commentaires et de quiz

Fiche d’accompagnement de l’expérience:

Matériel
  • une bouteille en verre ou une bouteille en plastique pour boissons gazeuses munie de son bouchon
  • un bouchon en caoutchouc adapté au goulot ou une membrane de caoutchouc (morceau de ballon de baudruche) et des élastiques
  • un petit tube ayant contenu du parfum ou un corps de stylo à bille avec son bouchon

Montage et réalisation

Prendre un petit tube long et étroit ayant contenu du parfum qui servira de ludion.
Remplir complètement d’eau une bouteille en plastique souple munie d’un bouchon à vis (pour augmenter la pression du liquide, il suffit alors d’appuyer sur les parois de la bouteille qui sont flexibles).
Faire pénétrer délicatement le ludion à l’intérieur, ouverture dirigée vers le bas.
Vérifier que le ludion flotte en l’affleurant dans la bouteille.
Refermer celle-ci avec le bouchon sans emprisonner d’air.
Lorsqu’on appuie sur le bouchon ou sur le corps de la bouteille en plastique, on voit le ludion s’enfoncer dans le liquide ou remonter selon la valeur de la pression exercée.

On peut également réaliser le ludion en coupant en deux le corps du stylo à bille et en ne gardant que la partie supérieure.
Lester le bas avec un ou plusieurs élastiques ou de la pâte à modeler.
Remplir partiellement ce tube avec de l’eau: il faut s’arranger pour que l’ensemble flotte tout juste à la surface de l’eau contenue dans la bouteille.

 

Explications

C’est la somme de son poids et de la poussée d’Archimède qu’il subit qui détermine si un corps immergé dans un liquide coule, remonte ou reste immergé en équilibre dans le liquide. Les deux versions de cette expérience font intervenir une variation de la poussée d’Archimède résultant d’une variation de la pression du liquide alors que le poids de l’objet reste constant. Dans ces deux versions, les modifications de pression interviennent cependant de façon totalement différente dans la modification de la poussée d’Archimède.
Dans l’expérience utilisant les corps de stylos ou le petit tube à parfum, la diminution de la poussée d’Archimède résulte de la diminution du volume de l’air emprisonné, donc de la diminution du volume d’eau déplacé (et inversement).
Dans l’expérience utilisant des allumettes, la pression du liquide agit sur la solubilité de l’air dans l’eau. De façon générale, plus la pression augmente, plus la solubilité d’un gaz dans l’eau augmente. A la pression atmosphérique normale, c’est-à-dire lorsqu’on n’appuie pas sur le bouchon, de petites bulles d’air restent accrochées à la surface des allumettes. Lorsque la pression du liquide augmente, la taille des bulles d’air diminue car la solubilité de l’air dans l’eau augmente. Le volume de l’objet immergé diminuant, le volume de liquide déplacé diminue, donc la poussée d’Archimède diminue. Pour des pressions élevées, les bulles d’air peuvent même disparaître complètement.
Ces deux expériences illustrent comment les valeurs comparées du poids et de la poussée d’Archimède font qu’un objet immergé coule, reste immergé à hauteur constante ou remonte à la surface.

 

Explications

niveau collège

Comment fonctionne un ludion
Pour bien comprendre le fonctionnement du ludion, il faut d’abord savoir pourquoi un corps plongé dans un liquide va flotter ou bien couler :

J’ai représenté ci-dessus un récipient contenant un liquide (de l’eau par exemple), et un objet quelconque que l’on va plonger dans le liquide. J’ai dessiné en noir son poids qui le tire vers le bas.
La figure de droite représente une quantité d’eau ayant le même volume que le corps à plonger, ainsi que le poids de cette quantité d’eau, dessiné en bleu.
Lorsqu’on plonge l’objet dans l’eau, celui-ci est soumis à son poids, mais aussi à une autre force, dirigée vers le haut et qui est égale au poids du liquide déplacé (flèche bleue de la figure ci-dessus). Cette force s’appelle poussée d’Archimède (selon la légende, le savant grec Archimède aurait découvert cette force lorsqu’il prenait un bain dans sa baignoire). La poussée d’Archimède, dirigée vers le haut, se retranche donc au poids : c’est pourquoi lorsqu’on se baigne on se sent plus léger.
Maintenant qu’on connaît la poussée d’Archimède, voici ce qui peut se passer lorsqu’on plonge un objet dans l’eau :

Dans le premier cas, la flèche noire est plus longue que la bleue : c’est donc le poids qui l’emporte et l’objet coule au fond du récipient. C’est le cas d’un objet métallique plongé dans l’eau.
Dans le deuxième cas, c’est le contraire : l’objet est tiré vers le haut et il flotte à la surface du liquide. C’est le cas où l’objet est un bouchon (le liège est bien plus léger que l’eau).
Troisième cas, les deux forces sont quasiment égales : l’objet reste immobile, le plus souvent au ras de la surface du liquide. C’est le cas du ludion.
Le ludion est un objet composite formé de trois parties :
•      un corps de verre ou de plastique, lesté avec un élastique ;
•      un peu d’eau à l’intérieur du corps de verre ;
•      une bulle d’air emprisonnée au sommet de ce corps.
Lorsque le ludion est immergé dans une bouteille de plastique contenant de l’eau, le poids du verre, celui de l’élastique et le volume d’eau contenu sont ajustés pour qu’il flotte au ras de la surface. On est donc dans le cas n° 3, c’est aussi le cas de la photo de droite ci-dessous sur laquelle la barre horizontale jaune marque la position du niveau de l’air dans le tube de verre :

Lorsqu’on presse les flancs de la bouteille de plastique, on augmente la pression à l’intérieur. La bulle d’air à l’intérieur du tube de verre est donc comprimée et une petite quantité d’eau pénètre dans le tube (on le voit bien sur la photo 2 grâce à la barre jaune qui montre que le niveau d’eau s’est élevé). Le ludion devient donc plus lourd et l’équilibre entre son poids et la poussée d’Archimède est rompu, au profit du poids : le ludion coule au fond de la bouteille.
Si on relâche la bouteille, la bulle retrouve son volume initial et repousse l’eau qui est rentrée en excédent dans le tube. Le ludion devient alors plus léger, et remonte à la surface de l’eau.

 

Remarques

Le mot « ludion » vient du latin ludio qui signifie « baladin », « histrion ».
Le ludion semble avoir été connu dès l’antiquité mais certaines sources bibliographiques attribuent sa paternité à Raphael Magiotti (Rome, 1648), alors que d’autres prétendent que c’est le philosophe et scientifique français René Descartes (1596-1650) (Renatus Cartesius en latin) qui l’aurait inventé

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