La montée des eaux

Cette expérience de physique amusante est facile à réaliser. Elle nécessite la présence d’un adulte pour la manipulation de la bougie (ou éventuellement d’eau très chaude).

Matériel

• une bougie chauffe-plat
• un grand verre
• un petit verre (ou support) pouvant rentrer dans le grand verre
• un plat assez large et peu profond, type plat à tarte

Expérience

Remplis avec de l’eau colorée la plat à tarte sur quelques millimètres. Retourne au milieu du plat le petit verre puis pose la bougie dessus. Allume la bougie. Puis retourne très rapidement le grand verre sur la bougie.

Observations

Tu peux observer que lorsque tu reposes le verre sur la bougie, cette dernière s’éteint très vite. Puis quasiment en même temps de l’eau monte dans le grand verre.

Que se passe-t-il ?

Tu as constaté que l’eau est montée dans le verre où la bougie était allumée. Le volume d’air dans le verre a donc diminué et il y a eu une diminution de la pression à l’intérieur du verre !

Une première explication répandue de cette expérience, par ailleurs fausse, consiste à considérer la combustion de la bougie : cette dernière consomme davantage de dioxygène qu’elle ne produit de dioxyde de carbone et il y a globalement moins de molécules de gaz dans l’air du verre retourné : la pression dans le verre diminue. Ceci a pour effet d »aspirer » l’eau contenue initialement dans le fond du plat à tarte dans le verre.

Mais cette explication est fausse. D’après de récentes expériences, lorsqu’on retourne le grand verre sur la bougie, on piège de l’air chaud dans le grand verre. Lorsque la bougie est éteinte, l’air piégé se refroidit, et se contracte sous l’effet de la diminution de température. L’air se contractant, de l’eau monte dans le grand verre.

Cette expérience illustre également une loi de la statique des fluides connue par les physiciens : la loi barométrique que les pratiquants de plongée sous-marine connaissent très bien. Dans un liquide donné au repos, la pression augmente lorsque l’altitude diminue ou diminue lorsque l’altitude augmente (voir également l’expérience de la fontaine à eau). Ici, à la fin de l’expérience, la pression de l’air piégé à l’intérieur du verre est plus faible que la pression atmosphérique.

Pour aller plus loin

Repère dans un premier temps, à l’aide d’un papier adhésif, le niveau de l’eau qui est monté dans le verre à la fin de l’expérience quand tout est à l’équilibre.

Prend un torchon en coton et plonge le dans de l’eau très chaude (tu peux utiliser un saladier pour cela). Puis entoure le grand verre avec le torchon. Prends garde à ne pas te brûler. Attends l’équilibre thermique puis observe le niveau de l’eau par rapport au niveau initial. On constate que le niveau de l’eau a baissé, ce qui signifie que la pression de l’air contenue à l’intérieur du verre a augmenté sous l’effet d’une augmentation de température (ou encore que l’air s’est dilaté).

Prends le torchon en coton et plonge le maintenant de l’eau très froide (tu peux utiliser un saladier rempli d’eau glacée pour cela). Puis entoure le grand verre avec le torchon. Attends l’équilibre thermique puis observe le niveau de l’eau par rapport au niveau initial. Le niveau d’eau a monté, ce qui signifie que la pression de l’air contenue dans le verre a baissé sous l’effet d’une diminution de la température (ou encore que l’air s’est contracté en se refroidissant.

Ces deux expériences avec le torchon nous permettent de comprendre le principe d’un thermomètre à gaz. En relevant le niveau de la surface libre de l’eau dans le verre, on a accès directement à la température de l’air contenu dans le verre. Plus généralement, cette expérience constitue un thermoscope.

Un thermoscope est un dispositif permettant de mettre en évidence l’augmentation ou la diminution du volume d’une certaine quantité d’air piégé dans un récipient quand ce dernier est chauffé ou refroidi. Les premiers thermoscopes connus ont été fabriqués dans l’antiquité (Philon de Byzance, Héron d’Alexandrie). Les plus curieux peuvent lire cet article de vulgarisation de la revue Pour la Science..