Un tourniquet hydraulique

Cette expérience simple, réalisée avec une bouteille en plastique qui éjecte de l’eau, permet d’illustrer la conservation de la quantité de mouvement d’un système isolé, dont l’application pratique est la propulsion à réaction.

Fiche d’accompagnement de l’expérience:
 

Matériel
  • une bouteille de plastique ou une canette de boisson

  • 3 pailles à boissons coudées

  • de la pâte à modeler

  • du fil

  • des supports de laboratoire (tiges et noix)

  • une cuvette

  • accessoire : des ciseaux

Montage et réalisation

Percer avec des ciseaux trois trous dans la partie inférieure d’une bouteille en plastique.

Utiliser de la pâte à modeler pour fixer une paille coudée dans chacun de ces trous et colmater l’espace autour de la paille.

Disposer les pailles dans un même plan horizontal et orienter leurs coudes dans le même sens avec le même angle, par exemple environ 70° vers la gauche (voir la figure ci-dessous ).

Suspendre la bouteille par un fil à une sorte de potence (voir figure ) surplombant la cuvette. La potence sera construire à partir de tiges et de noix.

Verser de l’eau dans la bouteille.

La cuvette placée sous la bouteille doit pouvoir recueillir l’eau qui s’échappe pendant le remplissage de la bouteille et pendant l’expérience.

Stabiliser la bouteille puis la lâcher : l’eau qui s’écoule par les pailles coudées fait tourner la bouteille. 

Explications

L’eau de la bouteille qui pénètre dans une paille possède une certaine vitesse donc une certaine quantité de mouvement que nous noterons
(voir la figure). A sa sortie de la paille, cette même quantité d’eau a pour quantité de mouvement
(voir la figure).
La valeur de la vitesse de l’eau ne variant pas dans la paille, les quantités de mouvement
et
ont la même valeur, seules leurs directions diffèrent.

La paille a exercé une force

sur l’eau puisque la variation de la quantité de mouvement de l’eau

entre son entrée dans la paille et sa sortie n’est pas nulle, et

(voir figure).

D’après le principe de l’action et de la réaction (3ème loi de Newton) l’eau exerce sur la paille, c’est-à-dire sur la bouteille, une force opposée à .
Cette force a pour projections sur la direction radiale
et
sur la direction tangentielle. Les forces radiales n’ont pas d’effet sur la rotation car leurs moments par rapport à l’axe de la bouteille sont nuls. La bouteille se met à tourner sous l’effet du moment non nul des forces tangentielles (voir figure). Par symétrie, la somme des trois forces dues aux trois pailles est quasiment nulle ; le mouvement de la bouteille est donc uniquement une rotation.

 

Remarques

Autre expérience analogue sur le même thème :« Comment transformer une canette en turbine à vapeur ».

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