Voiture propulsée par un ballon

De Wikidebrouillard.

Version du 4 septembre 2008 à 18:09

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'allumette
• 4 bouchons de bouteille
• 4 bâtons type pic à brochette
• Du scotch
• Un stylo à bille
• Un élastique

L'expérience

En vidéo

La manipulation

• Percer les bouchons
• Enfiler des baguettes de bois dans les tiges plastiques creuses
• Fixer un bouchon de chaque coté de la tige
• Fixer les tiges en plastique à une boite d'allumette
• Fixer des baguettes de bois sur le dessus de la boite d'allumette afin que le ballon ne touche pas le sol
• Relier le ballon de baudruche au corps du stylo grâce à un élastique
• Fixer le corps du stylo à la boite d'allumette

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 selon le principe de l’« action-réaction » : tout corps qui se sépare d’une masse se déplace dans le sens contraire où la masse a été éjectée

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 tend à diminuer son volume, comprimant d'autant plus fortement l'air piégé que ce volume est grand.

Il en résulte des forces de pression qui vont propulser le ballon, et donc la voiture, dès que le système sera ouvert.La direction de la force sera toujours normale à la section correspondant à l'ouverture.

Questions sans réponses

Ici je mets les questions soulevées par l'expérience, qui n'ont pas trouvées de réponses !!

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 rappel que la loi de Hook dit que :

Avec σ égale à un 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 interessons 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 introduit pendant la vulcanisation du latex, c'est à dire lorsqu'on le mélange avec du souffre 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 augment 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 privilégié, il en résulte une entropie maximale, puis si on étire ce morceau, le redressement des molécules impose la diminution de l'entropie, l'énergie libéré diminue alors et l'énergie dans le matéau est celle qui tend à ramener les molécules dans leurs configuration initiale, soit, à minimaliser la distance entre les cross-link.

Liens avec d'autres expériences

Expériences sur Wikidébrouillard

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

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