Cette expérience de physique amusante est facile à réaliser.
Matériel
- des petits récipients
- du papier essuie-tout
- des colorants alimentaires
- un couteau plat peu coupant (ou bâton)
- un support quelconque d’une hauteur adéquate (voir expérience 2)
Première expérience
Protocole
Remplir deux petits récipients d’un même volume d’eau colorée. Placer un petit récipient vide à côté d’un des deux récipients précédents. Prendre quatre feuilles de papier essuie-tout.
Enrouler le couteau plat à l’aide de deux feuilles de papier essuie-tout. Faire un rouleau avec les deux autres feuilles de papier essuie-tout puis faire deux pliures sur le rouleau.
Quasiment en même temps, plonger le couteau enroulé de papier essuie-tout et l’extrémité du rouleau dans les deux récipients contenant de l’eau coloré. Puis réaliser un « pont » avec le rouleau de papier essuie-tout entre le récipient rempli d’eau colorée et le récipient vide (voir photos ci-dessous). Faire en sorte que les deux extrémités du « pont » touchent les fonds des récipients.
Observer en parallèle l’évolution des deux rouleaux de papiers essuie-tout et observer le contenu des récipients.
Observations
Lors de l’expérience 1, on observe que de l’eau colorée monte dans les rouleaux de papier essuie-tout. L’eau monte quasiment à la même vitesse dans le papier vertical et dans le « pont » jusqu’au deuxième coude. A partir du deuxième coude, on constate que le papier coudé s’imprègne plus vite que le papier vertical. Lorsque tout le papier coudé est imbibé d’eau, de l’eau commence à se déverser dans le récipient initialement vide. A la fin de l’expérience, les deux récipients reliés par un « pont » ont quasiment le même volume d’eau.
Que se passe-t-il ?
La première expérience met en évidence les rôles de la capillarité et de la gravité dans cette « évasion » de l’eau. Pour expliquer l’évasion de l’eau, la capillarité joue un rôle fondamental dans un premier temps : grâce aux forces de capillarité, l’eau monte dans le papier. Pour expliquer l’origine de cette montée, il faut invoquer les forces de tension superficielle présente dès lors qu’il y a une interface entre deux milieux et imaginer que le papier essuie-tout est constitué d’une multitude de tubes très fins de petit diamètre. Sous l’effet de ces forces, la plupart des liquides imprègnent des tubes de petit diamètre, la situation étant plus favorable énergétiquement : il s’agit de la montée capillaire (voir la loi de Jurin pour les plus curieux). Cette montée capillaire est à l’origine de l’imprégnation du papier essuie-tout par l’eau. Dans l’expérience avec le couteau, on constate que si l’on attend suffisamment longtemps (plusieurs heures), tout le papier vertical peut être imbibé.
L’expérience montre dans un deuxième temps que la gravité joue un rôle dans l’évasion dans l’eau puisque le papier après le coude s’imprègne plus vite que le papier vertical. Les forces capillaires et la gravité sont donc motrices dans cette étape.
Une fois tout le papier imbibé, un siphon est amorcé. Ce dernier se termine lorsque les deux surfaces libres d’eau colorée ont la même altitude.
Deuxième expérience
Protocole
Prendre quatre petits récipients et remplir le fond d’eau (colorée ou pas) de deux de ces derniers. Associer chacun de ces récipients avec un autre récipient vide. L’idée est de réaliser deux « ponts » avec deux feuilles de papier essuie-tout comme dans l’expérience 1 pour chaque paire de ces récipients.
Pour une des deux paires de récipient surélever le récipient rempli d’eau par rapport au récipient vide à l’aide d’un support de hauteur adaptée (voir photo ci-dessous).
Placer les deux ponts en papier en prenant soin que les extrémités des « ponts » touchent bien les fonds des récipients et observer.
Observations
Lors de l’expérience 2, on constate que l’eau monte dans les deux papiers essuie-tout. De la même façon que dans l’expérience 1, les deux ponts s’imprègnent complètement puis de l’eau se déverse dans les deux pots vides. A la fin de l’expérience, dans le dispositif où le récipient vide était en-dessous du récipient rempli, toute l’eau s’est déversée dans le récipient vide et le niveau d’eau final est en dessous du fond du récipient initialement rempli.
Que se passe-t-il ?
Dans la deuxième expérience, il s’agit d’étudier plus particulièrement l’étape du siphon. Lorsque le récipient rempli d’eau colorée est surélevé par rapport au récipient vide, l’eau peut complètement s’évader dès lors que la surface libre du récipient en train de se remplir est en dessous du fond du récipient initialement rempli. Les propriétaires d’aquarium connaissent bien ce phénomène pour vider l’eau de leur aquarium.
Pour approfondir cette étude, on peut faire différentes expériences en surévaluant différemment un pot par rapport à l’autre et observer ce qu’il se passe.
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Troisième expérience
Protocole
Prendre trois petits récipients et remplir le fond de deux récipients avec de l’eau colorée (de deux couleurs primaires différentes). Créer deux « ponts » en papier essuie-tout entre ces deux récipients et le troisième récipient vide. Vous pouvez surélever les deux récipients remplis d’eau colorée par rapport au récipient vide.
Observations
Les deux « ponts » de papier essuie-tout s’imprègnent à la même vitesse. Une fois les rouleaux complètement imbibés, les eaux colorées sont déversées à la même vitesse dans le troisième récipient vide et se mélangent. En prenant des eaux colorés jaune et bleu, le troisième récipient se remplit d’une eau de couleur verte.
A la fin de l’expérience les deux premiers récipients sont quasiment vides si ils ont été suffisamment surélevés par rapport au récipient vide et si les extrémités des ponts touchaient bien le fond des récipients.
Que se passe-t-il ?
Dans la troisième expérience, on utilise les connaissances acquises lors des deux premières expériences pour siphonner l’eau colorée de deux récipients différents et de couleur différentes : jaune et bleu. Le mélange donne de l’eau colorée verte.
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