Pourquoi, dans un abreuvoir à oiseaux, le niveau de l’eau reste-t-il le même tant qu’il y a de l’eau dans le réservoir ? Cette expérience très simple à réaliser explique pourquoi et met en évidence l’existence de la pression atmosphérique.
Fiche d’accompagnement de l’expérience:
Matériel-
une bouteille transparente ;
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un plat creux ;
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éventuellement un tuyau d’arrosage transparent (longueur : 12 m) et 2 bouchons.
Montage et réalisationRemplir complètement une bouteille transparente avec de l’eau et fermer l’ouverture avec la main. Renverser la bouteille (toujours bouchée) et la déposer sur un plat creux rempli d’eau (voir la photo). Enlever la main qui bouchait l’ouverture : l’eau de la bouteille ne s’écoule pas. Il n’est pas nécessaire de remplir complètement la bouteille, on obtient le même résultat si la bouteille contient de l’air.
ExplicationsLa surface libre de l’eau du plat creux est soumise à la pression atmosphérique qui vaut environ 1000 hPa. Au niveau du goulot de la bouteille, la pression exercée par l’eau qui se trouve dans la bouteille est nettement plus faible : 30 hPa pour une bouteille de 30 cm complètement remplie d’eau. Pour compenser la pression atmosphérique, il faudrait une colonne d’eau de 10 m.
Lorsque la bouteille n’est pas complètement remplie d’eau, la pression au niveau du goulot est égale à la pression due à l’eau, à laquelle il faut ajouter la pression de l’air qui se trouve dans la bouteille. Au moment où l’on enlève la main qui bouchait le goulot de la bouteille, il y a un peu d’eau qui s’échappe de la bouteille, donc le volume occupé par l’air augmente un peu et sa pression diminue. L’eau continue à s’écouler de la bouteille jusqu’à ce que la pression au niveau de l’ouverture de la bouteille devienne égale à la pression qui s’exerce sur la surface libre de l’eau, c’est-à-dire à la pression atmosphérique.
Si la surface libre de l’eau est située à peine plus haut que l’ouverture de la bouteille, on peut négliger la hauteur de l’eau dans le plat par rapport à la hauteur de l’eau dans la bouteille.
RemarquesCe dispositif peut servir d’abreuvoir à oiseaux. Le niveau de l’eau dans la bouteille est entretenu automatiquement par de l’eau qui s’écoule de la bouteille. Ce dispositif peut aussi servir de baromètre car le niveau de l’eau dans la bouteille varie lorsque la pression atmosphérique qui s’exerce sur la surface libre de l’eau varie (voir à ce propos l’expérience « Le baromètre de Goethe »). C’est également la pression atmosphérique qui empêche l’eau de s’écouler d’un verre renversé (voir à ce propos l’expérience « L’eau est arrêtée par le papier »).
On peut vérifier que la pression atmosphérique correspond à la pression d’une colonne d’eau de 10 m de hauteur en utilisant un tuyau d’arrosage de 12 m. Remplir le tuyau complètement avec de l’eau et boucher ses deux extrémités avec des bouchons. Redresser le tuyau et le maintenir verticalement, l’extrémité inférieure plongeant dans une cuvette d’eau. Il faut bien évidemment se placer dans un bâtiment suffisamment haut. Enlever alors le bouchon inférieur : de l’eau s’écoule du tuyau jusqu’à ce que la colonne d’eau restante équilibre la pression atmosphérique : la hauteur d’eau est alors de 10 m.