Un ballon increvable

Un ballon de baudruche piqué d’un trou d’épingle n’explose pas si l’on a pris la peine de le « préparer » avec un morceau de ruban adhésif.

Fiche d’accompagnement de l’expérience:
 

Matériel
  • des ballons de baudruche

  • du ruban adhésif transparent

  • une épingle

Montage et réalisation

Gonfler deux ballons de baudruche et les refermer.

Coller quelques petits morceaux de ruban adhésif sur l’un des deux ballons.

Lisser soigneusement les morceaux de ruban adhésif avec l’ongle pour s’assurer qu’ils collent bien : ils deviennent alors pratiquement invisibles.

Piquer le ballon non « préparé » avec la pointe d’une épingle : le ballon explose bruyamment.

Piquer le deuxième ballon à travers l’un des morceaux de ruban adhésif : le ballon n’explose pas, on voit seulement un trou au niveau de la piqûre.

C’est par ce trou que s’échappe l’air si l’on enlève l’épingle (voir la figure).

Explications

Un ballon de baudruche est constitué de caoutchouc.

Le caoutchouc est constitué de longues chaînes carbonées dont la cohésion est assurée par des forces de van der Waals.

Au cours de la vulcanisation, il y a réticulation des chaînes carbonées par le soufre.

Les « ponts » sulfure entre les chaînes se comportent comme des ressorts et permettent l’extension du matériau lorsqu’on gonfle le ballon.

Une tension trop importante conduit à la rupture des ponts sulfure : c’est la raison pour laquelle un ballon trop gonflé peut éclater.

Les ponts sulfure se cassent avant les chaînes carbonées car l’énergie de liaison des atomes de soufre dans un pont sulfure est d’environ 210 kJ.mol-1 alors que l’énergie de liaison de deux atomes de carbone dans la chaîne carbonée est de l’ordre de 340 kJ.mol-1.

La piqûre avec la pointe de l’épingle détruit localement les ponts sulfure.

La structure du caoutchouc ressemble à un réseau de mailles dans lequel les ponts sulfure sont tendus : la déchirure initiale des ponts sulfure due à la piqûre s’y propage donc le long des chaînes et le ballon éclate.

On observe un phénomène analogue avec certains tissus ou certains papiers qui présentent des directions privilégiées de déchirure.

Le bruit de l’explosion résulte de l’expansion adiabatique rapide de l’air qui était sous pression dans le ballon, il a la même origine que le bruit fait par un bouchon de champagne qui saute.

Les morceaux de ruban adhésif protègent le ballon car ils empêchent la déchirure de se propager dans le caoutchouc.

Remarques

Si le public ne connaît pas encore cette expérience, on peut en faire une présentation plus spectaculaire, par exemple en transperçant le ballon de part en part avec une aiguille à tricoter (en perçant l’enveloppe bien évidemment à chaque fois à l’emplacement d’un ruban adhésif).

Pour entraîner les spectateurs sur une fausse piste on peut aussi faire éclater un ballon en le perçant avec une aiguille à tricoter et percer un deuxième ballon avec une pique à brochettes en bois sans le faire éclater.

On ne sait toujours pas expliquer pourquoi un ballon percé par une aiguille (d’un matériau quelconque) avant d’être gonflé peut ensuite être gonflé sans éclater (pour arriver à le gonfler il suffit de poser le doigt sur le trou pour éviter que l’air ne s’échappe immédiatement).

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