Horloge complÃ¨tement siphonnÃ©e

De Wikidebrouillard.

Article incomplet en cours de rédaction

Des sabliers à eau (ou clepsydres), c'est bon pour Fort Boyard, mais il faut les retourner régulièrement pour mesurer un temps plus long. Pourrait-on trouver un système plus autonome ?

La question ?=+

Des sabliers à eau (ou clepsydres), c'est bon pour Fort Boyard, mais il faut les retourner régulièrement pour mesurer un temps plus long. Pourrait-on trouver un système plus autonome ?

Matériel

Divers récipients

Bassines en plastique
Boîte de conserve, (ici un modèle de 25 litres)
Pots de yaourt, ou bouteilles en plastique

Des tuyaux

Au choix parmi :

Canules d'aquarium
Tuyaux en caoutchouc
Tuyaux d'arrosage

Autres

Pâte à modeler, "patafix", ou chewing gum
Caisse en bois, ou tout support avec des trous, résistant au poids
Un robinet + une évacuation d'eau

Outils

Attention :

Ces outils sont dangereux. Les ciseaux pointus peuvent entailler, et la perceuse peut déraper sur un objet rond comme la boîte de conserve. Pour la perceuse, mieux vaut une seconde personne tenant l'objet, ou utiliser un étau (pour une conserve plus petite que le modèle de la vidéo).

Bonus

Encre, ou Colorant alimentaire

L'expérience

Construction d'une horloge à eau, se vidant régulièrement grâce à un siphon.

Construction

La première étape consiste à choisir les tuyaux qui seront utilisés :

- Le tuyau de remplissage du récipient est le plus fin,

- Le siphon doit être plus gros que le tuyau de remplissage, sinon le récipient ne pourra se vider.

Le découpage des tuyaux à la bonne longueur n'est pas mentionné dans la vidéo : il est laissé à l'appréciation de chacun et ne nécessite pas de précision puisqu'il suffit d'adapter la position de chaque élément pour correspondre aux tuyaux.

La réserve d'eau (optionnelle)

Elle peut être remplacée par l'arrivée d'eau d'un robinet, auquel on place un tuyau d'arrosage. Pour observer plus facilement le fonctionnement de l'horloge à eau, l'utilisation d'une réserve d'eau permet d'y placer un colorant.

- Maintenir la boîte de conserve dans un étau (ou à défaut, par une personne plaçant ses mains sur le haut de la boîte). Précision : on utilise une boîte vide, propre, et sans couvercle mais avec un fond.

- Placer sur la perceuse un calibre de vrille de diamètre supérieur au diamètre du tuyau de remplissage. Comme on le verra, ceci permet de s'assurer que la quantité de liquide s'écoulant depuis la réserve dans le pot de régulation est supérieure à celle de sortie du pot, de sorte que celui-ci se remplisse et reste plein au lieu de se vider.

Attention : L'étape suivante utilise un outil dangereux, sur lequel il serait bon d'apporter quelques précisions dans cette fiche.

- Percer un trou à l'aide de la perceuse, au bas de la boîte de conserve. Comme vous avez pu le voir dans la vidéo, il peut être préférable de placer le trou dans le fond pour une boîte de grande contenance. Pour percer le trou dans une boîte de conserve de taille normale, vous pouvez la bloquer dans un étau, vous évitant ainsi tout risque de blessure en cas de dérapage.

- Pour empêcher l'eau de s'écouler avant le début de l'expérience, puis pour réguler l'arrivée d'eau et éviter le gaspillage, vous pouvez réfléchir à un système réduisant la taille du trou. Le plus simple est de trouver un bouchon du bon diamètre, mais la solution retenue dans la vidéo est de placer du ruban adhésif que l'on retirera du trou lors de la mise en fonctionnement de l'horloge. Plus exactement, il s'agit d'un papier adhésif, ce qui permet d'y percer une ouverture à l'aide d'un couteau. On agrandit cette ouverture jusqu'à ce que le jet d'eau soit suffisant pour faire déborder le pot de régulation.

Le pot de régulation

L'arrivée d'eau, que ce soit celle d'un robinet ou de notre réserve d'eau, est irrégulière. En effet la pression varie dans la réserve au fur et à mesure que l'eau s'écoule du fait de la diminution de la hauteur d'eau, et la quantité d'eau entrant dans l'horloge n'est pas constante.

Le pot de régulation (terme à reformuler) résout ce soucis : en s'assurant qu'il déborde constamment, la pression de l'eau qui en sort par le tuyau est uniforme. Voici comment le réaliser :

- A l'aide d'un cutter, pratiquer une ouverture en forme de croix dans le fond d'un pot de yaourt propre. L'ouverture doit être petite, mais de taille permettant d'y glisser le tuyau le plus fin.

- Passer le tuyau le plus fin (la canule) dans le trou du pot de yaourt. Il doit apparaître à l'intérieur, et on peut y glisser plusieurs centimètres, mais le haut du tuyau ne doit pas dépasser le haut du pot de yaourt.

- A l'aide de pâte à modeler, ou d'une pâte plus collante, colmater le trou autour de la canule, pour assurer l'étanchéité du pot de yaourt. La canule ne doit pas être bouchée par la pâte, de sorte que l'eau puisse y circuler.

Le pot est maintenant prêt, et on peut vérifier qu'en y versant de l'eau, celle-ci y reste tant que le niveau est inférieur au haut du tuyau. La longueur de tuyau que nous avons laissée dépasser jouera sur la pression de l'eau et la vitesse de son écoulement à l'entrée de l'horloge. Plus le tuyau sort du fond (sans se retrouver à l'air), plus l'horloge sera lente à se remplir.

Le récipient

La partie la plus importante de la structure, celle qui marque l'écoulement du temps, est un récipient équipé d'un siphon.

- Prenez une bouteille en plastique, de préférence transparente pour que l'on puisse y observer le niveau de l'eau. Avec des ciseaux ou un cutter, pratiquez dans la moitié haute une fente pareillement à celle du pot de yaourt réalisée dans une étape précédente : en forme de croix.

Cette fois-ci, la fente doit être plus grande, comme c'est le gros tuyau que l'on y passera dans l'étape suivante.

La forme de croix permet d'insérer facilement un objet rond, sans trop abîmer le récipient. De plus, pratiquer une fente droite, verticale, aurait l'effet indésirable de tourner le tuyau (il ne sort pas perpendiculairement à l'orifice), ce qui peut entraîner l'agrandissement de la fente.

- Glissez le gros tuyau par ce trou. Même si vous ne pouvez vous blesser, notez que le plastique des bouteilles est plus résistant que celui du pot de yaourt, et y insérer un tuyau peut s'avérer plus difficile.

Le tuyau doit redescendre vers le fond de la bouteille, mais ne pas toucher le fond, pour permettre l'écoulement du liquide.

Une astuce : avec un tuyau trop rigide pour tenir de lui-même penché et qui remontait vers le haut de la bouteille, j'ai réalisé un dispositif simple pour le maintenir vers le fond, et contourner l'impossibilité de glisser les doigts par un goulot de bouteille trop étroit. Enfoncer le tuyau dans le trou jusqu'à le faire ressortir de la bouteille. Passer un élastique autour du bout du tuyau en l'enroulant plusieurs fois, puis glisser dans l'élastique l'extrémité d'une tige de fer ou un crayon, laquelle sera elle-aussi enroulée de plusieurs tours. Vous n'avez plus qu'a rentrer le tuyau vers à l'intérieur de la bouteille, et utiliser la tige pour le tourner vers le bas.

- Orientez l'extrémité extérieure du tuyau de manière à ce que l'eau qui s'en écoule tombe dans un évier ou un seau.

La construction est terminée. Reste à placer l'ensemble au-dessus d'un évier, ou à l'extérieur.

Mise en marche

Pour faire fonctionner l'horloge, il faut l'alimenter en eau.

- Remplissez la réserve d'eau, et placez-y quelques gouttes de colorant.

Pour l'instant le papier adhésif empêche le liquide de s'échapper.

- Otez le papier adhésif ou pratiquez-y une perforation, ce qui présente pour intérêt de pouvoir en adapter la taille jusqu'à obtenir un débit suffisant en entrée de l'horloge.

L'arrivée d'eau doit être assez conséquente pour faire déborder le pot de régulation, mais on se doit si possible de réduire le gaspillage. D'autres astuces sont données dans la fin de la fiche pour éviter d'utiliser trop d'eau.

L'observation de l'horloge commence lorsque le pot de régulation déborde.

Que voit-on ?

Modèle:Vidéo Ci-contre : L'horloge, en temps réel.

Dans la partie haute, le pot de yaourt est rempli à ras bord en permanence, de sorte que l'eau qui s'en écoule soit régulière, le jet étant constamment soumis à une même pression.

Dans la partie basse, le récipient suit deux phases distinctes :

Remplissage

Lorsque la bouteille est vide, l'eau arrivant depuis le pot de régulation la remplit doucement. Rapidement le niveau d'eau dépasse l'entrée du siphon, et on remarque que celui-ci se remplit à la même vitesse que la bouteille. Dès que l'eau dépasse le trou colmaté de la bouteille, on peut voir un mince filet d'eau s'écouler dans le siphon.

La toute première phase de remplissage sert juste d'amorçage pour l'horloge, mais sa durée n'est pas à observer. On attendra la phase de vidage avant de chronométrer les cycles de l'horloge.

Vidage

Lorsque la hauteur d'eau du récipient dépasse le haut du siphon, l'eau s'en écoule. Après un petit moment, l'eau s'engouffre réellement dans le siphon, et l'occupe sur tout son diamètre, au fur et à mesure qu'elle descend. Puis beaucoup d'eau sort par le bas du siphon, et la bouteille commence à se vider. Le vidage s'arrête lorsque le niveau d'eau dans la bouteille descend jusqu'à l'entrée du siphon, et que de l'air y pénètre.

La phase de remplissage et celle de vidage se suivent selon un cycle régulier, ce qui permet de mesurer le temps qui passe. Vous pouvez prendre une montre ou un chronomètre pour mesurer cette durée. Si votre siphon est bruyant, lorsque le vidage se termine, vous pouvez prendre cet instant comme point de repère, pour activer votre chronomètre.

Explications

De manière simple

Attirée par le sol par son propre poids, l'eau cherche à occuper le plus d'espace, c'est pourquoi le niveau d'eau monte autant dans le siphon que dans le reste de la bouteille.

Quand l'eau dans la bouteille dépasse le point le plus haut du siphon, le poids (la pression) y est plus forte que dans la colonne d'eau du siphon, puisque cette dernière est moins élevée. La plus forte pression pousse la colonne d'eau dans le tuyau, et celle-ci commence à se retrouver "tête en bas". Cette tête a un poids qui l'attire vers le sol : elle tombe le long du siphon, entraînant avec elle le reste de la colonne d'eau.

La tête de la colonne ne peut pas tomber seule parce qu'elle ne peut être remplacée par de l'air. Elle est donc remplacée par de l'eau, et la colonne s'en trouve aspirée dans le siphon. La colonne - désormais à l'envers - a un poids qui l'attire vers la fin du siphon, et c'est l'eau de la bouteille qui est doit alors occuper le siphon à sa place.

Ainsi de suite, l'eau de la bouteille est absorbée pour occuper le siphon puis en sort, jusqu'à ce que le niveau de l'eau dans la bouteille soit plus bas que le niveau du siphon. Alors, c'est l'air présent dans la partie haute de la bouteille qui s'engouffre dans le tuyau, mettant fin au mécanisme du siphon. L'eau qui reste dans le siphon n'est plus entraînée, et c'est son poids qui la fait ruisseler de part et d'autre du siphon, remplacée par l'air venant de l'entrée.

Questions sans réponses

Est-il possible que de l'eau soit prisonnière du siphon, au point le plus haut. Le poids de la partie terminale cherche à faire couler l'eau vers l'extérieur, tandis que le poids de l'eau dans le début du tuyau cherche à la faire retourner vers la bouteille, mais dans le tuyau - plus fin que celui de l'expérience - l'eau ne peut être remplacée par de l'air (l'eau de droite a de l'eau à sa gauche pour la remplacer et réciproquement).

Allons plus loin dans l'explication

Développons les concepts scientifiques associés. Ne pas hésiter à faire des liens avec Wikipédia.

L'histoire des clepsydres

La première clepsydre connue date du règne d'Amenhotep III sur l'Egypte, après -1400. Il s'agit d'un récipient pourvu d'un orifice à la base, servant à l'écoulement de l'eau. Sa forme est conique, ce qui permet de graduer régulièrement les heures selon le niveau de l'eau, puisque cette forme compense pour partie la quantité différente d'eau s'écoulant chaque heure, due au changement de pression.

La page de Wikipédia sur la clepsydre indique qu'elle fut utilisée pour mesurer de courtes périodes, comme :

   * la durée d’un discours ou d’une plaidoirie en Grèce ;
   * les durées des gardes dans la légion romaine ;
   * la durée de moments courts lors d’expériences, comme celle de Galilée en 1610 sur la chute des corps.

La clepsydre fut aussi utilisée pour mesurer le temps lorsqu’il faisait nuit, ou lorsque les conditions météorologiques ne permettaient pas l’utilisation des cadrans solaires.

=Utilisation dans la vie de tous les jours

Cette clepsydre permet de mesurer plusieurs périodes courtes successives, et peut donc servir pour ponctuer les temps de réflexions dans des jeux de logique multijoueurs comme les échecs.

En plaçant de l'eau bien froide dans une clepsydre durant 3 minutes, dont le bout du siphon plonge dans une casserole d'eau portée à ébullition, on peut s'assurer de la durée de cuisson d'un œuf (il faut bien sûr être à proximité pour éteindre le feu juste après que la clepsydre se soit vidée).

On peut aussi imaginer positionner cette clepsydre dans un sauna, et régler la sortie d'eau pour que le siphon arrose les pierres incandescentes, produisant ainsi des bouffées de chaleur avec la vapeur d'eau (la température du sauna, 80°C, n'est pas suffisante pour que l'eau s'évapore dans le récipient, mais les pierres sont chauffées au-delà de la température d'ébullition de l'eau).

Liens avec d'autres expériences

Expériences sur Wikidébrouillard

Bouteille blagueuse : Une expérience mettant en avant une autre possibilité qu'un morceau de papier adhésif pour empêcher l'eau de couler de la réserve.

En réfléchissant plus en avant pour faire face au problème de gaspillage d'eau (il n'est pas nécessaire de faire couler beaucoup d'eau de la réserve pour conserver le pot de régulation en état de trop plein), on peut imaginer réguler manuellement l'entrée d'air en haut de la réserve : en utilisant une bombonne au lieu d'une boîte de conserve, et en ouvrant partiellement le goulot pour laisser entrer l'air. Plus l'air entre, plus l'eau peut sortir en bas (voir l'expérience de la Bouteille blagueuse pour les explications).

Voir aussi

Tour d'eau : La même expérience, mettant cette fois-ci en avant le fait que plus il y a une colonne d'eau élevée au-dessus du trou, plus la pression de l'eau au-dessus est forte et pousse l'eau présente au niveau du trou, laquelle n'est retenue que par la pression atmosphérique (moins importante) et s'échappe. Dans notre expérience, le trou est placé tout en bas, donc toute l'eau que contient le récipient entre en compte dans la pression.

Fontaine de Héron : Le principe du siphon grâce à des pailles, et un système d'amorçage ingénieux : le siphon présente au milieu un réservoir plein, et cette eau surélevée s'engouffre dans le siphon pour sortir par l'extrémité basse.

Autres expériences

Le siphon sur Vikidia, "l’encyclopédie des 8-13 ans", un wiki regroupant dans un seul article plusieurs types de siphons, et illustré par des enfants.

Applications : liens avec le quotidien

Cherchez dans votre quotidien quelles utilisations peuvent être faites de ce système du siphon. Les baignoires, les voitures, les barrages hydroélectriques, et peut-être d'autres idées peuvent vous venir. Observons-les :

On parle de siphon dans les tuyauteries des baignoires, mais à votre avis, est-ce que l'eau est entraînée par aspiration, ou se vide-t-elle simplement grâce à son poids dans la baignoire ? Ce n'est que le poids qui permet de vider une baignoire, puisqu'il est possible de placer un simple conduit d'évacuation, sans siphon. Pour qu'il puisse réaliser un rôle équivalent au tuyau de l'horloge, le siphon devrait être plus élevé que le niveau de l'eau dans la baignoire, et on le verrait ressortir du sol. En fait son utilité est de garder un peu d'eau en son fond - comme on peut le voir au fond des toilettes - ce qui évite à l'air de pouvoir circuler dans les canalisations (et les odeurs ne remontent pas par les toilettes). Précision : il y a quand même de l'air dans les canalisations, mais le siphon l'empêche de se mélanger à l'air extérieur.

Siphonner un réservoir d'essence, sur une voiture permet de récupérer l'essence de cette voiture, pour la mettre dans une autre. En temps de crise, lorsque l'essence est trop coûteuse, cette technique est préférée par certaines personnes à l'éventualité de se passer de voiture - puisqu'elle permet de voler l'essence d'un autre conducteur - mais elle n'est pas sans danger : pour amorcer l'aspiration dans le siphon, on se contente d'aspirer par la bouche l'air qu'il contient, mais on risque ainsi d'avaler un liquide non comestible.

A votre avis, quel système utilise-t-on dans les barrages électriques, lorsqu'il faut en vider l'eau pour une inspection par exemple ? Le principe du siphon pour une telle quantité d'eau n'est pas imaginable, et ne peut de toutes façons pas être mis en place sans percer le barrage à un endroit plus bas que le niveau de l'eau, afin que le siphon puisse s'amorcer. Quitte à percer le barrage, on préfère le percer au bas, ce qui permet de le vider grâce au poids de l'eau et sans avoir attendre que le niveau de l'eau soit suffisant pour dépasser le siphon. De plus, le fonctionnement d'un barrage électrique assure que ce dernier est déjà équipé d'une évacuation au bas, pour faire fonctionner le générateur d'électricité (voir plus d'informations sur les turbines dans l'article de Wikipédia : énergie hydroélectrique).

Lieux propices à sa réalisation

Pour récupérer un bidon de 25 litres, il est nécessaire d'avoir des amis haut placés dans un restaurant universitaire, mais cet élément étant facultatif, cette expérience peut être réalisée dans une salle de bain ou à l'extérieur près d'un tuyau d'arrosage. La construction des divers éléments se fera plus aisément dans un établi, ou tout endroit dégagé pour utiliser les outils dangereux.