L’air qui s’échappe d’un ballon de baudruche peut produire un son si l’on étire l’embouchure en largeur de façon à former une fente.
Fiche d’accompagnement de l’expérience:
Matérielun ballon de baudruche
Montage et réalisationGonfler un ballon de baudruche.
Tirer latéralement sur l’embouchure pendant que le ballon se dégonfle de façon à limiter le passage de l’air à une fente (voir la figure).
On entend un son qui ressemble à un cri et dont la hauteur et le timbre dépendent de la force exercée sur la membrane.
ExplicationsL’air qui s’échappe du ballon n’écarte pas les bords de l’ouverture (les « lèvres » du ballon), mais au contraire il les rapproche.
En supposant le théorème de Bernoulli applicable aux gaz, du moins dans une première approximation (voir à ce propos l’expérience « Le paradoxe aérodynamique »), c’est-à-dire en supposant que l’écoulement est laminaire et que le gaz est incompressible, la pression du gaz est d’autant plus faible que sa vitesse est plus grande.
La vitesse de l’air est d’autant plus grande que les « lèvres » sont rapprochées.
La pression de l’air y devient alors inférieure à la pression atmosphérique, si bien qu’elles se rapprochent davantage et finalement se touchent.
Lorsque les « lèvres » entrent en contact, le flux de l’air s’interrompt, la vitesse de l’air s’annule et, par conséquent, la dépression avec l’air ambiant disparaît.
Les lèvres s’ouvrent de nouveau sous l’effet de la force de rappel élastique et les phénomènes se répètent périodiquement.
Les « lèvres » qui effectuent ainsi des vibrations mécaniques communiquent ce mouvement de vibration à l’air, ce qui se traduit par l’émission d’un son (variations périodiques de la pression de l’air).
Le spectre de fréquences de cette vibration dépend de la vitesse d’écoulement de l’air et donc de la pression de l’air enfermé dans le ballon, ainsi que de la tension du caoutchouc autour de l’ouverture.
RemarquesCette expérience constitue un modèle expérimental simple pour expliquer comment nous produisons des sons.
Le ballon de baudruche correspond aux poumons, les « lèvres » du ballon correspondent aux cordes vocales situées dans le larynx.
Les êtres humains peuvent modifier la vitesse de l’air dans le larynx et la tension des cordes vocales pour contrôler la hauteur des sons qu’ils produisent.