Cette expériences de physique amusante est très facile à réaliser et nécessite très peu de matériel.
Matériel
- un verre assez haut
- de l’eau chaude issue d’un mitigeur
- un petit bâton ou une cuillère
- papier noir (optionnel)
Remarque : la réussite de cette expérience dépend du robinet utilisé.
Expérience
Remplir le verre d’eau bien chaude. Il est souvent nécessaire de faire couler dans le vide un peu l’eau du robinet pour s’assurer que cette dernière est bien chaude.
Le verre aussitôt rempli, taper le fond du verre avec le bâton ou la cuillère, comme sur la photographie. Ecouter.
Remarque : pour mieux observer ce qu’il se passe dans le verre, on peut mettre une feuille de papier noire derrière ce dernier et il est nécessaire de bien éclairer le dispositif.
Observations
Nous constatons que le son généré en tapant dans le fond du verre évolue au cours du temps. Le son devient de plus en plus aigüe. En parallèle, l’eau dans le verre s’éclaircit.
ObservatiExonNous constattons
Que se passe-t-il ?
Cette expérience illustre un phénomène connu en physique sous le nom de : l’effet chocolat chaud, nom donné par le chercheur F.S. Crawford dans son article : « The hot chocolate effect » American Journal of Physics 50, 398, 1982. Il existe plusieurs variantes de cette expérience : on peut utiliser de la poudre de chocolat ou de café, une boisson gazeuse, un cachet d’aspirine ou tout simplement de l’eau chaude comme proposé dans cet article.
Cette expérience met en évidence que la vitesse du son dans l’eau est plus élevée que celle du son dans l’air.
Lorsque l’on tape dans le fond du verre, la hauteur du son émis est en effet déterminée par deux grandeurs physiques importantes : la hauteur de la colonne de liquide L et la vitesse c du son dans ce liquide. La formule exprimant la fréquence du son émis en fonction de ces grandeurs est la suivante : f=c/(4L). On obtient cette formule en considérant que le verre rempli de liquide joue le rôle d’une cavité résonante mixte.
Les bulles d’air initialement dans le verre montent sous l’effet de la Poussée d’Archimède. Or il est bien connu que la vitesse du son dans l’air de l’ordre de 340 m/s dans les conditions usuelles est inférieure à la vitesse du son dans l’eau, égale à 1400 m/s. La vitesse du son dans le milieu effectif (eau + bulles) augmente donc au fur et à mesure de la montée de ces bulles car le liquide contenu dans le verre contient de moins en moins d’air. D’après la formule du paragraphe précédent (f=c/(4L)) , la fréquence f du son émis augmente alors au cours du temps.
On peut visualiser plus quantitativement cette augmentation de fréquence facilement à l’aide de l’application Phyfox que l’on peut installer gratuitement sur son téléphone. On peut également utiliser le logiciel Audacity.
Dans notre expérience, la fréquence varie entre 1,1 kHz et 2,5 kHz en moins d’une dizaine de secondes. A partir ce spectre, il est possible de calculer la proportion volumique de bulles au tout début de l’expérience.
N’hésiter pas à changer de récipient pour réaliser cette belle expérience. En particulier si vous prenez un récipient de hauteur plus grande, l’effet va durer bien sûr plus longtemps. En particulier, un utilisant un vase assez haut, le décalage en fréquence peut se produite pendant plus d’une minute !