Un manège visqueux

Cette expérience de physique amusante est facile à réaliser.

Matériel

  • deux bouteilles en plastique de tailles différentes (l’une pouvant rentrer dans l’autre)
  • un plateau tournant (type plateau à fromage de marque ikea)
  • de l’huile alimentaire
  • des petites vignettes
  • une paire de ciseaux
  • des petits cailloux (ou du sable)
Matériel nécessaire pour l’expérience

Protocole

Découper le haut des deux bouteilles en plastique. Mettre un peu d’huile dans la grande bouteille. Lester la petite bouteille avec des cailloux ou du sable, de manière à ce qu’elle puisse être immergée partiellement dans l’huile de la grande bouteille, qu’elle soit bien horizontale et qu’elle puisse se déplacer (tourner) sans entraves (voir photo). Coller sur le haut des deux bouteilles une petite vignette.

Vue de profil du dispositif.
Vue du dessus du dispositif

Disposer l’ensemble du dispositif au centre du plateau tournant. Mettre en rotation le plateau tournant en essayant de maintenir la vitesse quasiment constante. Après avoir effectué plusieurs tours, immobiliser brutalement le plateau. Observer ce qu’il se passe et observer plus particulièrement le mouvement du cylindre intérieur.

Placer le dispositif au centre du plateau tournant

On peut également réaliser la même expérience en remplaçant l’huile par l’eau. Comparer les différentes observations.

Observations

Lorsque l’on fait tourner le plateau tournant à vitesse quasi constante, on met en rotation également le cylindre extérieur qui est solidaire du plateau.

On observe que le petit cylindre intérieur se met également en mouvement et qu’au bout de quelques tours, il atteint la même vitesse angulaire de rotation que le cylindre extérieur. Ainsi après un régime transitoire de quelques secondes, un régime permanent s’établit, pendant lequel, les deux cylindres et le liquide effectuent une rotation en bloc.

Lorsque l’on immobilise le plateau tournant, le cylindre intérieur s’immobilise également au bout de quelques secondes.

Avec l’eau, on peut faire le même type de constatations mais les temps de réponse sont beaucoup plus longs !

Vidéo de l’expérience

Que se passe-t-il ?

Logo Physique Ludique

Cette expérience met en évidence les forces de viscosité à l’intérieur d’un fluide et les forces de viscosité entre un fluide et un solide.

Pendant le régime transitoire, la couche de fluide en contact avec le cylindre extérieur se met en mouvement grâce à ces forces de viscosité tangentielles au cylindre. Puis les couches de fluide se mettent en mouvement les unes par rapport aux autres grâce à ces forces tangentielles qui sont motrices dans la première étape du mouvement. Enfin la couche de fluide en contact avec le cylindre intérieur met en mouvement ce dernier.

Lorsque le régime permanent est établi, toute l’énergie fournie par l’opératrice est dissipée à l’intérieur du dispositif par les forces viscosité, l’ensemble du dispositif tournant à vitesse constante.

Enfin lorsqu’on immobilise le plateau, on observe un nouveau régime transitoire, pendant lequel le cylindre intérieur est freiné pour s’immobiliser complètement très rapidement. Pendant cette phase les forces de viscosité entre la couche de fluide et le cylindre sont résistantes vis à vis du cylindre qui est alors freiné.

Lorsque l’on effectue la même expérience avec de l’eau, les temps de réponse sont beaucoup plus longs. Ceci illustre que les forces de viscosité dans l’eau sont inférieures à celles dans l’huile. L’eau est effectivement un liquide moins visqueux que l’huile.

Pour aller plus loin

On peut faire une analogie entre cette expérience et une expérience de diffusion de particules, la diffusion étudiée ici étant celle de la quantité de mouvement du fluide. Cette diffusion s’effectue perpendiculairement à la direction de l’écoulement (c’est-à-dire radialement). Un régime permanent peut s’établir car les conditions aux limités sont fixées par l’opératrice et indépendante du temps.

L’écoulement étudié ici est dit laminaire car les différentes couches de fluide glissent les unes sur les autres sans se mélanger. Un tel écoulement peut être obtenu à faible vitesse et avec un fluide très visqueux (plus précisément à faible nombre de Reynolds pour les plus curieux).

Pour aller plus

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