Voiture propulsée par un ballon

De Wikidebrouillard.

Version actuelle en date du 2 octobre 2015 à 15:55

Présentation de l'expérience

Comment faire pour fabriquer une voiture et la faire se déplacer simplement avec un ballon de baudruche ?

Matériel

• Un ballon de baudruche
• Une boite d'allumettes
• 4 bouchons de bouteille
• 4 bâtons de type pic à brochette
• Du scotch
• Un stylo à bille démontable (plusieurs parties)
• Un élastique

L'expérience

En vidéo

La manipulation

• Percer les bouchons
• Enfiler des baguettes de bois dans les tiges de plastique creuses
• Fixer un bouchon de chaque côté de la tige
• Fixer les tiges en plastique à une boîte d'allumettes avec du scotch
• A l'aide du scotch fixer des baguettes de bois sur le dessus de la boîte d'allumettes afin que le ballon ne touche pas le sol
• Relier le ballon de baudruche au corps du stylo grâce à un élastique
• Avec le scotch, fixer le corps du stylo à la boîte d'allumettes

Que voit-on ?

Lorsque le ballon se dégonfle, la voiture avance.

Explications

De manière simple

L’air expulsé est responsable du mouvement de la voiture.

La voiture avance donc dans le sens inverse de l’expulsion d’air.

Nous pouvons dire que l'air contenu dans le ballon est sous pression. Lorsque le ballon se gonfle, le matériau élastique utilisé pour fabriquer le ballon s'étire, comprimant d'autant plus fortement l'air piégé dans ce ballon.

Lorsque nous lâchons l'ouverture du ballon, l'air contenu dans celui-ci s'échappe, propulsant ainsi la voiture.

Allons plus loin dans l'explication

Lorsque l'on gonfle le ballon, la tension imposée par la surface élastique en caoutchouc en réponse à sa déformation (ici une dilatation dont l'allongement relatif sera fonction du module d'Young qui entre lui même en jeu dans l'expression de la contrainte que l'on impose en gonflant) impose une pression à l'intérieur de celui-ci. On rappelle que la loi de Hook dit que :

Avec σ égale à une contrainte soit F/S où F est une force et S la surface sur laquelle la force agit.

Avec E le module d'Young

Avec ε l'allongement relatif

Mais intéressons-nous à l'explication de cette tension que l'on retrouve dans de nombreux milieux élastiques et qui impose cette force de restitution, force qui tend à ramener le matériau dans sa configuration non étirée.

Le caoutchouc est constitué de molécules flexibles reliées entre elles par des liaisons appelées des cross-link.

Ces derniers sont introduits pendant la vulcanisation du latex, c'est à dire lorsqu'on le mélange avec du soufre pour le rendre plus résistant. Dans la configuration initiale, les molécules du ballon ont une position allongée puis, avec l'étirement, elles se redressent, la distance inter cross-link augmente alors.

Durant cet étirement, si l'on raisonne thermodynamiquement, il est possible d'observer une diminution de l'entropie. Lorsque le morceau de caoutchouc n'est pas tiré, il existe des mouvements aléatoires entre les cross-link. Puisque aucune direction n'est privilégiée, il en résulte une entropie maximale. Puis si on étire ce morceau, le redressement des molécules impose la diminution de l'entropie : l'énergie libérée diminue alors et l'énergie dans le matériau est celle qui tend à ramener les molécules dans leurs configuration initiale, soit à minimiser la distance entre les cross-link.

Liens avec d'autres expériences

Expériences sur Wikidébrouillard

• Un ballon à réaction
• Balade thématique sur l'air

Ailleurs sur le web, vous trouvez :

• Ça propulse ! : plein d'autres réalisations qui propulsent (site de l'académie Aix-Marseille)
• Le principe d'action-réaction en expériences
• Rallye Sciences à la réunion : "Epreuve 2 : Construction d’un véhicule qui roule seul et qui va le plus loin possible sur une surface plane sans utiliser l’énergie électrique."
• Fiches pédagogiques sur "Eclairs des sciences" (site québécois) avec une démarche de découverte active.

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