Un liquide, ça oscille ?

Cette expérience de physique amusante est facile à réaliser mais nécessite un peu de matériel (tuyaux d’aquarium).

Matériel

  • des tuyaux d’aquarium transparents de différents diamètres (ici 9 mm et 6 mm)
  • une planche en bois longue plutôt blanche (ou du carton solide type carton de grand calendrier)
  • de l’huile végétale
  • du colorant alimentaire (optionnel)
  • du scotch
Matériel nécessaire

Première expérience

Protocole

Découper un tuyau d’une longueur de un mètre environ puis le scotcher solidement sur la planche en bois de manière à former un grand U comme sur la photo.

Mettre de l’eau colorée sur une quarantaine de centimètres dans le tuyau. Incliner le dispositif de manière à faire monter une surface libre de l’eau proche de l’extrémité du tube en U puis boucher avec le doigt cette extrémité et remettre le dispositif en U vertical.

Retirer le doigt qui bouche une des extrémités du tuyau et observer.

Faire de même en remplaçant l’eau colorée par de l’huile. Observer et comparer.

Observations

On constate que lorsque le liquide contenu dans le tuyau est de l’eau colorée, on peut observer une dizaine d’oscillations amorties. Lorsque le liquide est de l’huile, on n’observe plus d’oscillations. Le liquide retourne directement à sa position d’équilibre sans aucune oscillations.

Vidéo de l’expérience

Que se passe-t-il ?

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Cette première expérience met en évidence le fait que l’eau colorée et l’huile sont des liquides de viscosité très différentes. Les forces de viscosité sont des forces de frottements entre les molécules de fluides elles mêmes et entre le liquide et la paroi (ici le tuyau d’aquarium). Avec l’eau, on peut observer des « pseudo-oscillations » : le liquide oscille mais l’amplitude des oscillations diminue avec le temps. Avec l’huile, il y a tellement de pertes énergétiques à cause des forces de viscosité, que la nature du mouvement change de régime : le liquide retourne à sa position d’équilibre directement sans osciller. On ne peut plus voir d’oscillations.

Deuxième expérience

Protocole

Reprendre le protocole de la première expérience avec de l’eau colorée. Comparer les observations en utilisant deux tuyaux de diamètres différents (ici 9 mm et 6 mm).

Observations

On constate que l’on observe moins d’oscillations de la colonne de liquide lorsque le tuyau a un diamètre plus petit.

Vidéo de l’expérience

Que se passe-t-il ?

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Lorsque le diamètre du tuyau diminue, les frottements entre la colonne d’eau et la paroi solide augmentent et il y a davantage de pertes énergétiques. Les pertes énergétiques augmentant, le nombre d’oscillations visibles diminue. Le retour à l’équilibre se fait plus rapidement.

Troisième expérience

Protocole

Reprendre le protocole de la première expérience avec de l’eau colorée. Réaliser la même expérience en modifiant la longueur de la colonne d’eau dans le tuyau. Observer et comparer.

Observations

On peut constater que la période des oscillations diminue lorsque la longueur de la colonne d’eau diminue. Le nombre d’oscillations augmente un peu également.

Vidéo de l’expérience

Que se passe-t-il ?

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Il est difficile de donner une interprétation qualitative de cette dernière expérience. Néanmoins on peut faire une analogie avec un pendule pesant (un fil sans masse de longueur l tendu attaché à une masse). Lorsque l’on met en mouvement le pendule, on peut montrer que la période des oscillations est proportionnelle à la racine carré de la longueur du fil. Il en et de même pour les oscillations de la colonne de liquide dans le tuyau. La période des pseudo-oscillations varie comme la racine carrée de la longueur de la colonne de liquide.

Pour aller plus loin

Pour aller plus loin

Pour les plus curieux, théoriquement, on peut montrer que l’équation régissant le mouvement de la colonne de liquide est la même que celle d’une masse attachée à un ressort et subissant une force de frottement fluide.

On peut montrer alors que la solution de cette équation dépend d’une grandeur physique appelée facteur de qualité, proportionnelle au carré du rayon du tuyau d’aquarium, inversement proportionnelle à la viscosité du liquide et inversement proportionnel à la racine carrée de la longueur de la colonne. En modifiant l’un de ces paramètres, on modifie la forme de la solution régie par l’équation différentielle (nombre d’oscillations, temps d’amortissement, etc…).

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