Barrage
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Présentation de l'expérience
Les moulins à eau sont connus depuis des siècles. Les ingénieurs se sont servis du même principe, utilisant la force de l'eau, pour produire de l'électricité. Mais pourquoi construire des barrages quand on veut utiliser la force de l'eau et pourquoi sont-ils si hauts ?
Matériel
-
1 brique de lait ou bouteille vide
-
1 punaise
-
Du ruban adhésif
L'expérience
La manipulation
- 1) Tracer une ligne 5cm au dessus en partant de la base de la brique de lait.
- 2) Percer à l'aide d'une punaise 3 trous l'un au dessus de l'autre, espacés de 4 cm.
- 3) Coller un morceau de ruban adhésif par dessus les 3 trous.
- 4) Remplir la brique d'eau.
- 6) Retirer le ruban d'un coup sec et observer les jets d'eau.
Que constate-t-on ? Lequel des jets d'eau va le plus loin ?
Que voit-on ?
On remarque que le jet le plus proche de la base de la brique va le plus loin !
Explications
De manière simple
- C'est le poids de l'eau qui va determiner la pression du jet et par consequent la distance atteind par le jet.
- Or le volume d'eau au dessus du dernier trou est plus important qu'au dessus des deux autres. Donc la pression l'est aussi.
- Par consequent, le jet d'eau sortant du dernier trou ira plus loin!
Questions sans réponses
De quoi peut donc dépendre la pression du jet sortant ?
- De la retenue d'eau réalisée par le barrage ?
- De la hauteur de celui-ci ?
- Ou bien peut-être des deux ?
Allons plus loin dans l'explication
La preuve par les mathématiques : ATTENTION EQUATION CERTAINEMENT FAUSSE !
Un barrage est soumis à une force horizontale liée à la pression exercée par l'eau sur sa surface immergée. La pression hydrostatique p en chaque point est fonction de la hauteur d'eau au-dessus de ce point.
p = ρ x g x h
avec :
ρ : masse volumique de l'eau, environ 1000 kg.m-3
g : gravitation, environ 10 m.s-2
h : hauteur d'eau au-dessus du point considéré.
La force F résultante est la somme des pressions hydrostatiques s'exerçant sur la surface immergée du barrage.
F = \int_{S}^{} p.dS
Cette formule ne s'intègre pas « à la main » pour les barrages à géométrie compliquée. En revanche, une expression analytique peut être obtenue pour un élément de barrage poids (un « plot », de largeur L, et de hauteur immergée constante H).
F = ρ.g.L \int_{0}^{H} h.dh avec :
H: hauteur totale du barrage en contact avec l'eau.
L: largeur totale du plot considéré.
d'où :
F = ρ . g . L . 1/2 . H2
On voit dans cette formule que la poussée exercée par l'eau sur un barrage augmente avec le carré de la hauteur de la retenue (ce qui est vrai pour tout type de barrage). Elle ne dépend en aucun cas du volume d'eau stocké dans la retenue.
Cette forte pression hydraulique, à la base du barrage, permet ainsi la possibilité d'une production d'électricité.
Les calculs ci-dessus ne concernent que le type de barrage représenté par l'expérience avec le matériel présenté ci dessus. On peut comparer le barrage réalisé à un barrage poids.
Lien vers wikipédia : http://fr.wikipedia.org/wiki/Barrage
Liens avec d'autres expériences
Expériences sur Wikidébrouillard
Voir également :
Autres expériences
- Projet d'un groupe de lycéens : http://tpe.barrages.2008.free.fr/index.php/accueil.html
Applications : liens avec le quotidien
Wikipédia nous apprend que un barrage est un ouvrage d'art construit en travers d'un cours d'eau et destiné à en retenir l'eau.
Un barrage fluvial permet par exemple la régulation du débit d'une rivière ou d'un fleuve (favorisant ainsi le trafic fluvial), l'irrigation des cultures, une prévention relative des catastrophes naturelles (crues, inondations), par la création de lacs artificiels ou de réservoirs. Un barrage autorise aussi, sous certaines conditions, la production de force motrice (moulin à eau) et d'électricité (on parle alors de barrage hydroélectrique), à un coût économique acceptable, le coût environnemental étant plus discuté.
Toutefois, plus un projet est ambitieux, plus ses conséquences sont lourdes : en noyant des vallées entières, la construction d'un barrage peut provoquer à la fois des bouleversements humains en forçant des populations entières à se déplacer, et avoir un impact écologique non négligeable en changeant fondamentalement l'écosystème local.
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