Horloge complètement siphonnée

De Wikidebrouillard.

Version du 8 octobre 2009 à 16:26

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

• Paire de ciseaux
• Perceuse
• Etau

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 ?

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

Je propose une explication scientifique de manière simple, de la façon la plus imagée possible. Imaginez que vous expliquez l'expérience à un enfant ou à une personne non scientifique (éviter le tutoiement !

Questions sans réponses

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

Allons plus loin dans l'explication

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

Liens avec d'autres expériences

Expériences sur Wikidébrouillard

Indiquer ici les expériences de Wikidébrouillard.

Autres expériences

Autres expériences avec le même concept, recherche sur internet (indiquer les liens). 

Applications : liens avec le quotidien

C'est de la culture, ça aide à comprendre le monde !! N'hésitez pas à lancer la discussion de votre fiche (après l'avoir sauvegarder !) afin de trouver de l'aide pour la compléter

Siphonner un réservoir d'essence, sur une voiture (danger : risque d'avaler un liquide non commestible).

Lieux propices à sa réalisation

Indiquer ici des lieux où tout le matériel nécessaire pour réaliser cette expérience est disponible.

Catégories

Penser à fixer les disciplines scientifiques qui correspondent à l'expérience. Remplacer "à classer" par la discipline correspondante.

Horloge complètement siphonnée