Voir l’intérieur d’un ballon

Comment maintenir un ballon gonflé à l’intérieur d’une bouteille, même si son ouverture est grande ouverte ? Voici une expérience spectaculaire et qui nécessite peu de matériel. Fiche d’accompagnement de l’expérience:   On tire profit de la loi des gaz parfaits pour placer un ballon dans une bouteille et lui en faire épouser la forme, même lorsqu’il n’est pas bouché.

Matériel

  • une bouteille transparente, si possible de forme conique (par exemple un erlenmeyer) ;

  • un bouchon en caoutchouc à deux trous adapté au goulot de la bouteille ;

  • un petit tube de verre qu’on puisse introduire dans l’un des trous du bouchon, assez long pour arriver jusqu’au fond de la bouteille ;

  • des ballons de baudruche ;

  • des bracelets de caoutchouc (des « élastiques ») ;

  • accessoires : du liquide vaisselle ou de l’eau savonneuse, un torchon ou une serviette, éventuellement un tuyau souple en plastique ou en caoutchouc dont le diamètre n’excède pas la moitié de l’ouverture de la bouteille et assez long pour aller jusqu’au fond de la bouteille.

Montage et réalisation

Introduire l’extrémité du tube de verre dans l’ouverture du ballon sur 2 à 3 cm.

Fixer solidement le ballon sur le tube avec plusieurs tours d’élastique en s’assurant que cette jonction est étanche.

Enfoncer l’autre extrémité du tube dans le bouchon. Pour faciliter cette opération, il est judicieux d’étaler auparavant un peu de liquide vaisselle sur le tube. Enduire aussi la surface extérieure du ballon avec du liquide vaisselle puis enfoncer le bouchon sur le goulot de la bouteille. Le ballon se trouve ainsi dans la bouteille et on peut le gonfler par l’intermédiaire du tube de verre.

Si l’on bouche le deuxième trou du bouchon avec le doigt, le ballon ne peut plus être gonflé (ou du moins très peu). On peut en revanche le gonfler normalement si le deuxième trou reste ouvert. Il faut commencer à souffler lorsque l’extrémité inférieure du tube de verre se trouve à 4 cm du fond de la bouteille si l’on veut gonfler le ballon au maximum. Gonfler alors lentement grâce au tube de verre en remontant progressivement. Boucher enfin le deuxième trou : le ballon reste gonflé, même lorsqu’on enlève le tube de verre de la bouche (photo de gauche).

Il y a une variante à la fois plus simple et plus spectaculaire de cette expérience, qui permet d’obtenir un ballon épousant la forme de la bouteille, son embouchure étant retournée sur le goulot (voir la photo de droite). Le ballon reste alors gonflé sans qu’on ait besoin de bouchon et on peut effectivement voir à l’intérieur.

Cette variante nécessite une bouteille en plastique, au bas de laquelle on a pratiqué un trou que l’on peut boucher, soit avec un doigt, soit avec de la pâte à modeler. Le ballon étant entré dans la bouteille et son ouverture rabattue sur le goulot, on le gonfle facilement en soufflant dans la bouteille, le trou étant débouché. Lorsqu’on juge que le ballon est suffisamment gonflé, on bouche le trou avec la pâte à modeler, et on présente le ballon au public: tout le monde peut voir le fond du ballon à travers son ouverture (photo de droite).

Explications

La pression qui règne à l’intérieur du ballon gonflé est supérieure à la pression qui s’exerce à l’extérieur. Nous raisonnerons sur l’air en le considérant comme un gaz parfait, approximation tout à fait convenable à la température ambiante.

Si l’on obstrue le deuxième trou du bouchon pendant qu’on souffle, l’augmentation du volume du ballon entraîne une diminution du volume de l’air situé dans la bouteille à l’extérieur du ballon.

Cet air, initialement à la pression atmosphérique, voit sa pression augmenter si son volume diminue (loi des gaz parfaits).

L’augmentation de la pression à l’extérieur du ballon entraîne une augmentation de la pression à l’intérieur du ballon (voir le paragraphe précédent).

Pour continuer à gonfler le ballon, les poumons doivent produire une pression supérieure à celle qui s’exerce à l’intérieur du ballon.

On admet généralement qu’une personne en bonne santé arrive à produire dans ses poumons une pression supérieure de 0,1 bar à la pression atmosphérique (elle-même de l’ordre de 1 bar), soit une pression de 1,1 bar. En appliquant la loi des gaz parfaits, on calcule que le volume de l’air emprisonné entre le ballon et la bouteille peut diminuer au maximum de 10 % dans ces conditions. Cette diminution de volume est à peine perceptible.

Si le deuxième trou du bouchon reste ouvert, l’espace compris entre le ballon et la bouteille communique avec l’extérieur de la bouteille : l’air qu’il contient est donc constamment à la pression atmosphérique.

La pression de l’air à l’intérieur du ballon est supérieure à la pression atmosphérique. La surpression qui correspond à la tension de la membrane de caoutchouc du ballon dépend du volume du ballon. Sa valeur maximale est généralement de l’ordre de 0,04 bar, valeur inférieure à la surpression que les poumons sont capables de produire (0,1 bar). Dans ces conditions, on peut donc toujours gonfler le ballon.

Comme nous l’avons montré, la pression à l’intérieur d’un ballon gonflé est au plus de 1,04 bar. Si l’on bouche du doigt le deuxième trou et si l’on enlève de la bouche le tube de gonflage, la pression à l’intérieur du ballon redescend à 1a même valeur que la pression atmosphérique, soit à 1 bar. La tension de la membrane en caoutchouc entraîne une diminution du volume intérieur du ballon. Parallèlement le volume situé entre le ballon et la bouteille augmente, donc la pression de l’air qui s’y trouve diminue. Le nouvel état d’équilibre correspond à une pression de l’air entre le ballon et la bouteille égale à la pression à l’intérieur du ballon diminuée de la différence de pression correspondant à la tension de la membrane. Cette diminution de pression entraîne une augmentation de volume de l’ordre de 4 % qui n’est pratiquement pas perceptible.

Remarques

Certaines boutiques de cadeaux proposent à leurs clients d’emballer leurs achats dans des ballons de caoutchouc. Cette opération fonctionne selon le même principe que l’expérience décrite ci-dessus. L’embout du ballon est retourné autour de l’embouchure d’un appareil dont l’intérieur ressemble à celui d’un ballon de baudruche. L’appareil produit une dépression sous l’effet de laquelle la membrane du ballon se dilate et vient épouser la forme du récipient extérieur : l’ouverture étant assez grande, on peut alors introduire des objets à l’intérieur du ballon. Il suffit ensuite de fermer le ballon et de le sortir de l’appareil.

Pour réaliser la vidéo, nous n’avons pas utilisé un bouchon à deux trous;un petit tuyau glissé entre le bouchon et la paroi du récipient permet d’évacuer l’air contenu dans la bouteille au fur et à mesure que l’on gonfle le ballon. On l’enlève facilement lorsque le ballon est suffisamment gonflé.

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