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Comment faire pour fabriquer une voiture et la faire se déplacer simplement avec un ballon de baudruche ?
Lorsque le ballon se dégonfle, la voiture avance.
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.
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.
Comment faire pour fabriquer une voiture et la faire se déplacer simplement avec un ballon de baudruche ?
© Graphisme : Les Petits Débrouillards Grand Ouest (Patrice Guinche - Jessica Romero) | Développement web : Libre Informatique