Ronds de fumée

Tout le monde applaudit lorsqu’un fumeur réussit à faire un rond de fumée.Mais savez-vous qu’on peut en réaliser facilement, avec une bouteille en plastique et de la fumée d’encens ?

Fiche d’accompagnement de l’expérience:
 

Matériel
  • une bouteille de plastique souple de section rectangulaire (hauteur : environ 25 cm ; section : environ 5 cm ´ 10 cm ; diamètre du goulot : environ 2 cm)

  • des cigarettes

  • une paille

  • éventuellement de l’encre de couleur bleue ou noire

  • éventuellement une grande bassine (longueur minimale : 0,5 m)

  • éventuellement du tissu sombre et une lampe

  • éventuellement une bougie

Montage et réalisation

Introduire une paille dans l’ouverture de la bouteille et expirer lentement de la fumée de cigarette dans la bouteille au moyen de la paille jusqu’à ce que la bouteille soit remplie d’une fumée épaisse.

Poser la bouteille à plat sur un côté large à proximité du bord d’une table (voir la figure).

Donner un léger coup de la main sur la face supérieure de la bouteille : on voit un anneau de fumée se former dans le goulot puis s’éloigner de la bouteille.

Cet anneau est particulièrement bien visible si on l’éclaire devant un fond sombre.

La vitesse de propagation de l’anneau dépend de la durée du coup porté sur la bouteille.

Des coups rapides produisent des anneaux qui se propagent vite, alors que des coups lents produisent des anneaux larges qui se propagent lentement.

On peut viser une bougie située à environ 1 m de la bouteille avec un anneau rapide : la flamme s’éteint lorsqu’elle est touchée par le bord d’un anneau. En observant de près un anneau très lent, on s’aperçoit qu’il est constitué de couches superposées de fumée et d’air, un peu comme un biscuit roulé.

On peut faire de très beaux anneaux dans un liquide si l’on met dans la bouteille de l’eau très colorée (5 cartouches d’encre par litre). Il faut coucher la bouteille dans le fond d’une grande bassine (ou d’une baignoire) pleine d’eau et appuyer brièvement sur la paroi. Pour éviter de perturber les anneaux, il faut attendre un certain temps après le remplissage de la baignoire afin de s’assurer que l’eau est bien immobile.

Explications

Les figures suivantes montrent la formation d’une turbulence annulaire.

Ce sont des coupes dans un plan contenant l’axe de symétrie du goulot.

L’air contenu à l’intérieur de la bouteille sort lorsqu’on appuie dessus.

Du fait de la viscosité de l’air, sa vitesse d’écoulement est maximale au centre et elle va en diminuant vers les bords de la bouteille.

 

L’air qui sort de la bouteille n’est plus canalisé et l’inhomogénéité des vitesses entraîne l’apparition d’un tourbillon à la sortie du goulot.

Ce tourbillon entraîne avec lui les couches d’air environnantes et commence à former la structure en spirale.

Lorsqu’on cesse d’appuyer sur la bouteille, la structure se détache et continue à progresser vers l’avant.

On obtient une turbulence torique stable constituée de couches appelée vortex annulaire ou torique.

Remarques

Avec un peu d’entraînement, on arrive à produire des anneaux de fumée avec la bouche.

Remplir la bouche de fumée, mettre les lèvres « en cul de poule » et faire un mouvement bref avec la langue qui rétrécit l’espace occupé par la fumée.

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