Expériences sur l'air et le vent ...

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Expériences sur l'air et le vent ...

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La séance découverte de la classe éolienne vise à répondre à la question : Qu’elle est la différence entre le vent et l’air ? Qu’est-ce que la pression ? La réponse par la réalisation d’expériences sur la pression de l’air et les mouvements de l’air.

1 - Expérience de pesée de l’air : l’air a-t-il une masse ?

- Fabrication d’une balance équilibrée avec deux ballons de baudruche. Fixation du dispositif stabilisé (après avoir trouvé son centre de gravité). Puis, percer un des deux ballons (vous pouvez coller du scotch à l’endroit où vous voulez percer le ballon pour éviter qu’il n’éclate).

Si cette expérience délicate réussit, la balance se déséquilibre, le ballon gonflé est plus lourd que l’autre. L’air a donc un poids.
Pesée de l’air, pas si facile !

- Utilisation d’une balance à plateau. Un ballon vide sur chaque plateau pour vérifier l’équilibre. Gonfler un des ballons. Faire un noeud et le reposer sur le plateau.

Le plateau sur lequel on a posé le ballon gonflé descend. Il est plus lourd alors qu’on a uniquement rajouté de l’air, c’est donc que l’air a un poids

(Il est également possible de peser directement des ballons vide, peu gonflé et très gonflé sur une balance électronique. La différence de poids est suffisante pour être mesurable).

- Température : pour s’assurer de la réussite de la première expérience, notons que la température de l’air du ballon doit être la même que celle de l’air ambiant.

- Poussée d’Archimède : notons que ce qui est « mesuré » dans les expériences est le poids de l’air dans le ballon moins la poussée d’Archimède. En effet, le ballon gonflé occupe un volume plus important que le ballon dégonflé.
Exemple : pour un ballon de 0,01 m^3, la masse d’air emprisonnée à pression atmosphérique vaut environ 10 g mais l’excès réellement mesuré sera 2 g (soit 12 g -10 g = 2 g, en supposant une surpression dans le ballon de 20% en plus de la pression atmosphérique).

2 - Expérience sur la densité et la convection

- L’eau chaude et l’eau froide ont-elles la même densité ? Prendre deux récipients. Le premier contient de l’eau froide, le second de l’eau chaude à laquelle il a été ajouté du colorant. A l’aide d’un petit tube de plastique, prendre un échantillon d’eau chaude. Poser le délicatement au fond du récipient d’eau froide.

L’eau chaude (colorée dans l’expérience) est moins dense que l’eau froide, ainsi elle remonte à la surface. La différence de densité est ainsi mise en évidence
L’eau chaude nous semble bien flotter !

- Densité de l’air : le phénomène est-il identique avec l’air qu’avec l’eau ?
Matériel nécessaire : un disque de papier aluminium, une bougie, un trombone et une perle. Faire une hélice avec le papier aluminium (disque de diamètre 3cm environ), puis assembler le tout comme sur la photo (au bas de la « colonne » se trouve les bougies allumées) :

Expérience sur la convection

Et oui, l’hélice tourne !

L’air chaud est moins dense que l’air froid, les mouvements observés rendent compte de la convection. Pour les enfants, ils se rappellent que l’air chaud monte et l’air froid descend. Ne pas hésiter à faire l’analogie à des choses qu’ils connaissent « dans la nature » (montgolfière, vautour, parapente, ...)

3 - Mise en évidence des déplacements de l’air

- Allumer la bougie. Placer la bouteille à 10 cm environ devant la bougie. Et souffler sur la bouteille.

La bougie s’éteint alors que la bouteille est placée devant elle. Le souffle s’est partagé en deux, de chaque côté de la bouteille mais a suivi la forme de la bouteille. Derrière la bouteille, les deux parties se rejoignent pour former un seul courant d’air qui continue sa course et éteint la bougie.

- Allumer la bougie. Tenir une feuille de bristol devant la flamme. Et souffler sur le bristol.

La flamme se dirige vers le bristol, en direction contraire du souffle. Le souffle s’est partagé en deux, de chaque côté du bristol. Ces deux parties se rejoignent derrière la bougie. En se rejoignant, elles forment un seul courant d’air dont une partie revient en sens inverse. De cette façon, la flamme se dirige vers le bristol.

4 - Comprendre ce qu’est la pression

Utiliser un seau ou une bassine remplie d’eau. Plonger la main dans un sac en plastique puis dans le récipient.

Que se passe t-il ?

Drôle de sensation ! Mais une manière efficace de ressentir cette fameuse « pression » parfois abstraite.

5 - Mise en évidence de la pression de l’air

- Prendre 2 balles de ping-pong. Leur coller à chacune un fil. L’autre extrémité étant attachée à une règle fixée horizontalement. Ecarter les balles de 5 cm environ et attendre l’équilibre. Placer la paille devant les balles (5 ou 6 cm) et souffler bien au milieu des 2.

Remarque : Cette expérience peut se réaliser en prenant deux feuilles de papier A4, en les écartant de 5 cm et en soufflant entre les feuilles. Celles-ci se rapprochent.

Résultats : Les balles vont l’une vers l’autre et s’entrechoquent. Le souffle de l’air fait diminuer la pression entre les balles. C’est une dépression. La pression qui s’exerce partout sur les balles est donc plus forte en tout point des balles sauf entre les balles où se situe la dépression. Elle pousse donc chaque balle l’une vers l’autre

L’air qui nous entoure, bien qu’il soit invisible, est un gaz comme les autres avec son propre poids. On définit ainsi la pression atmosphérique comme le poids de la colonne d’air au dessus de nous.
- La pression diminue par exemple quand en montagne on prend de l’altitude, car la colonne d’air se réduit.
- Elle décroît aussi lorsque la température augmente parce que l’air se dilate, il est alors moins dense et donc moins lourd.

- Remplir un verre d’eau jusqu’au bord et poser une feuille de papier sur le dessus. Poser la main à plat sur la feuille de papier et retourner le verre.

Résultat : Le papier reste « collé » et l’eau ne tombe pas du verre.

La pression atmosphérique pousse en tout sens sur le verre mais pousse aussi sur le papier verticalement de bas en haut. Elle est plus forte que la pression de l’eau sur la feuille à l’intérieur du verre. La feuille de papier reste donc maintenue sur l’eau même avec le verre renversé. Notons que la feuille de papier n’y est pour rien dans le phénomène, elle permet simplement d’éviter l’instabilité de la surface liquide (ou « Rayleigh-Taylor instability » expliquant l’instabilité d’une surface mettant en jeu deux fluides, le premier plus lourd que le deuxième et situé au-dessus de lui)

6 - Fabrication d’un baromètre à air.

- Un verre.
- Un ballon de baudruche.
- Un élastique.
- Un morceau de carton rectangulaire et un socle en carton pour le tenir droit.
- De la colle.
- Du scotch.

Enfiler le ballon sur le verre en l’étirant bien, le fixer solidement avec l’élastique. Découper en forme de pointe un des bouts de la paille.
Coller l’autre extrémité de la paille au centre du ballon. Faire une graduation sur le carton et le faire tenir vertical à l’aide du socle
Mettre le carton en face de l’extrémité en pointe de la paille.

Illustrations : association edunet

Quand la pression atmosphérique augmente : l’air au dessus du ballon exerce sur lui une force plus grande qui le pousse vers le bas. Le ballon se creuse et l’extrémité pointue de la paille monte. Quand la pression atmosphérique diminue : la force exercée sur le ballon se réduit, celui-ci se gonfle et l’extrémité pointue de la paille descend

La graduation permet de relever les positions journalières et de visualiser les variations.
Il faut noter que ces mouvements ne dépendent pas uniquement de la pression mais aussi de la température, les mesures sont donc grossières et doivent être plutôt utilisées pour observer les changements de temps.

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