Les pendules jumeaux

Cette expérience de physique amusante est facile à réaliser.

Matériel

  • deux grands bocaux en verre identiques avec couvercles
  • de la cordelette
  • deux petites boules de noël en plastique identiques (on peut également utiliser des petits morceaux de polystyrène)
  • du ruban adhésif
  • une paire de ciseaux
Matériel nécessaire pour l’expérience

Protocole

Accrocher deux petits bouts de cordelettes identiques sur les deux boules. Scotcher les autres extrémités des cordelettes sur l’intérieur des couvercles au centre (voir photo).

Préparation du dispositif : scotcher les cordelettes à l’intérieur des couvercles.

Remplir d’eau un des deux bocaux puis fermer les deux bocaux avec les deux couvercles. Retourner le bocal rempli d’eau.

Retourner le bocal rempli d’eau.

Placer le bocal rempli d’eau retourné au dessus de l’autre bocal. En maintenant bien les deux bocaux verticalement, translater l’ensemble des deux bocaux en effectuant un mouvement oscillatoire horizontal. Observer et comparer plus particulièrement le mouvement des deux pendules dans chacun des deux bocaux.

Observations

Lorsque l »on effectue un mouvement oscillatoire horizontal, on observe que les deux pendules constitués des bouts de cordelettes et des petites boules de Noël oscillent en opposition de phase : lorsque le pendule du bas est dévié vers la gauche, le pendule du haut est dévié vers la droite et réciproquement.

Vidéo de l’expérience

Que se passe-t-il ?

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Pour comprendre cette expérience amusante, il faut considérer la Poussée d’Archimède s’exerçant sur un objet immergé dans l’eau : il s’agit de la somme des forces de pression s’exerçant sur tout l’objet de la part de l’eau lorsque cette dernière est au repos. Cette expérience illustre le fait que la résultante des forces de pression est modifiée lorsque l’eau est dans un bocal en translation accélérée.

Dans le bocal rempli d’air, la boule subit son poids ainsi que la tension du fil ; le dispositif constitue un pendule pesant. Lorsque l’on donne une accélération au bocal en le translatant, dans le référentiel du bocal, tout se passe comme si le pendule ressentait une nouvelle force opposée à l’accélération du bocal : la force d’inertie d’entrainement. On ressent également cette force lorsque l’on est assis dans une voiture et que l’on freine ou que l’on accélère : lorsque la voiture freine, on est projeté vers l’avant du véhicule (d’où l’intérêt d’un airbag) lorsque le véhicule accélère, on est projeté vers le siège. Ainsi lorsque l’on accélère le bocal ver la gauche, le pendule s’incline vers la droite et vice versa.

Dans le bocal rempli d’eau, la boule subit son poids, la poussée d’Archimède due à l’eau orientée vers le haut, permettant de tendre le fil et la tension du fil. L’objet immergé étant moins dense que l’eau, la Poussée d’Archimède l’emporte effectivement sur le poids. (on néglige ici les forces de frottements dues à la présence de l’eau). Lorsque l’on déplace le bocal en le translatant, la boule subit comme dans le bocal précédent une force d’inertie d’entrainement opposée à l’accélération du bocal dans le référentiel de ce dernier. Mais la Poussée d’Archimède est également modifiée lorsque le bocal est translatée et n’est plus orientée verticalement vers le haut. L’eau dans le bocal subit en effet également une force d’inertie d’entrainement et est ballotée au gré des accélérations du bocal. On peut voir dans la vidéo au ralenti que l’eau se déplace quasiment en phase avec le pendule dans l’air et dans le même sens. Lorsque l’accélération du bocal est vers la droite, l’eau s’accumule vers la gauche dans le bocal et va donc pousser la boule vers la droite, dans le sens contraire du mouvement du pendule : la résultante des forces de pression due à l’eau, acquiert alors une composante vers la droite, plus forte que la force d’inertie d’entrainement que subit le pendule (car l’eau est plus dense que l’air). Ce dernier va alors dans le sens opposé du pendule du bas.

En conclusion, dans le bocal rempli d’eau, la résultante des forces de pression due à l’eau s’exerçant sur la boule, appelée encore poussée d’Archimède lorsque l’eau est au repos, est modifiée à cause du déplacement du bocal. C’est à cause d’elle que le pendule du bocal du haut oscille dans le sens opposé à celui du bas.

Vidéo de l’explication

Nous pouvons réaliser ce type d’expériences également en posant les bocaux sur un plateau tournant. Nous ne faisons pas l’expérience ici car, disposant de bocaux en verre, cette expérience peut se révéler dangereuse (casse possible). Mais nous la réalisons souvent dans d’autres circonstances. Pour les lecteurs intéressés, voici une référence décrivant cette expérience et trouvée dans le bulletin de l’union des physiciens. On peut la réaliser facilement si l’on dispose d’un plateau à fromages, de bocaux en plastique et de ruban adhésif double face pour éviter les casses.

Nous pouvons réaliser cette expérience également avec une flamme de bougie dans une petite lanterne. En translatant la lanterne ou en effectuant un mouvement de rotation, la flamme de la bougie va s’orienter dans le sens contraire à ce que pourrait prévoir l’intuition. Pour expliquer cette expérience, il faut considérer que la résultante des forces de pression sur la flamme est modifiée par le mouvement de la lanterne et que l’air chaud est moins dense que l’air froid. Cette expérience est très facile à réaliser mais pas très facile à filmer…

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