Une bouteille sur un manège !

Cette expérience de physique amusante est facile à réaliser.

Matériel

  • une petite bouteille en plastique (éviter absolument le verre)
  • de l’huile végétale
  • un colorant alimentaire (ici rouge)
  • un grand plateau à fromages tournant (celui que nous avons utilisé a été acheté chez Ikea)
  • du scotch double face avec un pouvoir d’adhésion assez fort
Matériel nécessaire

Expérience

Remplir la petite bouteille pour moitié d’huile et pour autre moitié de l’eau colorée (avec du colorant alimentaire). Ici, nous avons utilisé du colorant rouge. Secouer fortement la petite bouteille. Attendre et observer.

Réalisation du dispositif : aspect de la bouteille après avoir secoué cette dernière
Réalisation du dispositif : aspect de la bouteille après quelques minutes
Réalisation du dispositif : aspect de la bouteille au bout d’une vingtaine de minutes

Lorsque l’on attend suffisamment longtemps, on observe dans la bouteille la présence de deux phases bien séparées :
– dans la moitié supérieure, une phase constituée par de l’huile
– dans la moitié inférieure, une phase constituée par l’eau colorée (ici en rouge), liquide plus dense que l’huile.

Expérience 1

Fixer la petite bouteille horizontalement sur le plateau tournant à l’extrémité du plateau à l’aide du double scotch, la bouteille étant orientée suivant un rayon du plateau.

Réalisation de l’expérience 1 : fixation de la bouteille sur le plateau

Faire tourner le plateau de plus en plus vite et observer le contenu de la bouteille.

Expérience 2

Secouer fortement la bouteille de sorte que l’on n’observe plus deux phases distinctes. Puis la placer comme dans l’expérience 1 sur le plateau tournant et faire tourner le plateau. Observer le contenu de la bouteille.

Pour cette expérience, on peut préparer une deuxième bouteille identique à la première, ayant été également fortement secouée, jouant le rôle de témoin placée verticalement à l’extérieur du plateau.

Observations

Expérience 1

Lors de l’expérience 1, on observe que l’interface entre les deux phases, initialement horizontale, s’incline de plus en plus au fur et à mesure que l’on tourne plus vite le plateau. La phase la plus lourde, l’eau colorée, de masse volumique plus élevée étant rejetée vers l’extérieur.

Vidéo de l’expérience 1

Expérience 2

Lors de l’expérience 2, on constate que les deux phases se séparent plus vite dans la bouteille qui a tourné sur le plateau que dans celle qui est restée à l’extérieur du plateau.

Vidéo de l’expérience 2

Que se passe-t-il ?

logo-physique-ludiquePour expliquer ces expériences, on peut se placer du point de vue du plateau tournant et invoquer la présence de la force centrifuge (voir également l’expérience “Se mouiller, c’est perdu !”). Cette force est radiale, orientée vers l’extérieur (d’où son nom de “centrifuge”) et est proportionnelle à la masse de l’objet sur laquelle elle s’applique.

Dans l’expérience 1, on constate que c’est le liquide le plus lourd qui est le plus éjecté vers l’extérieur, ce qui est cohérent avec le fait que la force centrifuge est proportionnelle à la masse de l’objet considéré, et l’interface entre les deux fluides non miscibles est modifiée. Lorsque seule la gravité est responsable de la présence de cette interface, le liquide le plus dense est située en dessous, et l’interface est horizontale. Lorsque la force centrifuge est d’intensité comparable à la force de pesanteur, l’interface est modifiée et devient oblique. Elle peut devenir quasi-verticale si la force centrifuge l’emporte nettement sur la force de pesanteur.

L’expérience 2 décrit le principe de fonctionnement d’une centrifugeuse : grâce à la force centrifuge, on peut séparer des composants de masses différentes, comme l’a indiqué la première expérience. Si la force centrifuge s’appliquant sur le système considéré est plus importante que le poids, cette séparation est plus rapide qu’une séparation par simple décantation.

La séparation par ultracentrifugation est utilisée dans de nombreux domaines : dans la cuisine avec la centrifugeuse, dans les laboratoires médicaux pour faire des analyses sanguines, dans les stations d’épuration pour la dessications des eaux boueuses, dans l’industrie nucléaire pour l’enrichissement en uranium fissile…

Une autre idée d’expérience : refaire l’expérience 2 avec une bouteille remplie d’eau boueuse…

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