Comment fabriquer une petite voiture et la propulser à l’aide d’un simple ballon de baudruche ?
Difficulté
Technique
Durée
45 minute(s)
Disciplines scientifiques
Mécanique, Physique
Mp4
VID 20200325 232642.mp4
- Matériel et outils
Ballon de baudruche 
Un ballon gonflable fait d'une membrane en caoutchouc qui se tend quand on souffle dedans.
Règle
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Au sens matériel, une règle est un instrument de mesure gradué à arêtes rectilignes servant à tracer des traits droits ou à mesurer des longueurs.
Bouchon plastique 
permet de fermer une bouteille hermétiquement ou de faire beaucoup d’expériences
Pic à brochette 
Grand bâtonnets pour faire des brochettes... Pratique pour les barbecues ou pour des expériences ludiques !
Ruban adhésif 
Un ruban adhésif ou papier collant (Belgique) est un ruban recouvert de substance adhésive. Il se présente généralement sous la forme d'un rouleau dont la face externe est non adhésive. Il est utilisé notamment pour lier des objets entre eux ou simplement pour recouvrir un objet d'un film protecteur.
Paille 
Une paille, ou chalumeau, est un tube léger, généralement fait en plastique, dont on se sert pour aspirer, et le plus souvent boire, un liquide.
Vrille 
Une vrille est un outil manuel, avec en embout en spirale, permettant de faire des trous, d'un diamètre lié à la taille de l'outil, dans le bois1. C'est une sorte de mèche actionnée à la main.
Ciseaux 
Un paire de ciseaux est un outil comportant deux lames mobiles articulées qui glissent l'une sur l'autre pour trancher les matériaux minces.
Crayon gris 
Un crayon est un instrument de dessin et d'écriture. Il est constitué d'une petite baguette servant de gaine à une mine de la même longueur, l'extrémité de la baguette étant parfois recouverte d'une gomme à effacer. Lorsque la mine est usée, on taille le bois en maintenant la forme conique de l’extrémité, de manière à dégager une nouvelle longueur de mine, au moyen d’un canif ou d’un taille-crayon ou d'un bouton a retour sur certain type de crayon a mine rechargeable.
Étape 1 - Préparation du matériel
Pour fabriquer ta voiture ballon, il te faut :
• Un ballon de baudruche
• 4 bouchons de bouteille en plastique et une vrille pour fabriquer les roues
• Du carton
• 2 pics à brochette
• Du ruban adhésif
• Trois pailles (ou tubes de stylos démontables)
• Un crayon, une règle et des ciseaux pour tracer sur le carton et découper
Étape 2 - Préparation de l'expérience
- Découpe un petit morceau de carton en rectangle.
- Trace des lignes bien parallèles aux bords du carton et découpe les pailles un peu plus grandes que la largeur du carton.
- Perce les bouchons en leur centre pour en faire des roues.
- Enfile ensuite les deux baguettes de bois chacune dans une paille.
- Fixe un bouchon de chaque côté des deux baguettes, sans bloquer la paille.
- Il faut que les roues tournent facilement si on tient délicatement la paille.
- Fixe les pailles bien droites sur le carton avec du ruban adhésif, le long des lignes tracées
- Coupe un morceau de paille (si possible de gros diamètre) puis rentre-le dans le ballon.
- Scotche le ballon bien serré autour de la paille pour qu'il n'y ait pas de fuite d'air, mais sans écraser la paille !
- Colle le ballon sur la voiture au niveau de la paille.
Voilà, ta voiture est prête !
Étape 3 - Manipulation
- Souffle dans le morceau de paille pour gonfler le ballon puis pince la paille avec les doigts pour empêcher l'air de sortir.
- Pose la voiture sur une table ou par terre et laisse l'air s'échapper du ballon !
Étape 4 - Pour aller plus loin
Tu peux ensuite faire plein de choses avec ta voiture ! Tu peux essayer de la décorer, de la faire plus grande ou plus petite pour voir si elle va plus loin ou non par exemple.
Comment ça marche ?
Observations : que voit-on ?
Lorsque le ballon se dégonfle, la voiture avance.
Mise en garde : qu'est-ce qui pourrait faire rater l'expérience ?
Si les roues frottent sur la voiture, si le ballon est mal fixé ou si le ballon fuit.
Explications
En gonflant le ballon, on va le remplir d'air et garder l'air dans le ballon. Comme le ballon ne laisse pas échapper l'air, il va rester à l'intérieur et remplir tout l'intérieur du ballon. Grâce à cela, on crée ce qu'on appelle une pression de l'air. Plus le ballon sera gonflé, plus la pression de l'air dans le ballon sera grande, et plus l'air expulsé fera avancer la voiture.
Lorsque l'on va libérer le ballon, l’air expulsé par le ballon sort par la paille. Pourtant la voiture n'avance pas dans la direction de la paille ! C'est parce que la pression de l'air dans le ballon fait avancer la voiture dans le sens opposé. C'est ce qu'on appelle le principe d'action-réaction. Ici, l'action correspond à la sortie de l'air par la paille, qui va provoquer comme réaction l'avancée de la voiture dans le sens inverse !
Plus d'explications
Lorsque le ballon est gonflé, une tension est imposée par la surface élastique en caoutchouc, en réponse à sa déformation (ici c’est 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 Hooke dit que :
- Avec σ (en Pascal) égale à une contrainte soit où F est une force (en Newton) et S la surface (en m²) sur laquelle la force agit.
- Avec E (en Pascal) 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 (voir la fiche sur les ballons de baudruche), c'est à dire au moment où 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 (c’est le « degré de désorganisation » d’un système moléculaire). 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 (les molécules sont donc très désorganisées). Puis si on étire ce morceau, le redressement des molécules impose la diminution de l'entropie (plus on étire le ballon, plus les molécules sont « rangées ») : 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. En d’autres termes, plus on étire le ballon, plus il tend à vouloir reprendre sa forme initiale.
Applications : dans la vie de tous les jours
C’est pour cela que, plus on gonfle un ballon, plus on a du mal à le gonfler. il va opposer une résistance de plus en plus forte, à mesure qu’il va grossir.
Mais si on le gonfle trop, celui-ci explose. La pression exercée par l’air, à l’intérieur du ballon, étant trop forte, les liaisons se rompent et il finit par se déchirer.
Éléments pédagogiques
Objectifs pédagogiques
• Comprendre le principe d’action-réaction
• Introduction au principe d’entropie
• Comprendre la pression de l’air
Pistes pour animer l'expérience
Cette animation peut être intéressante si on la présente comme un concours d’idées. On peut demander aux participants de quelle manière on pourrait faire rouler une voiture avec de l’air.
Il y a principalement deux réponses à cette question. Soit prendre le principe des chars à voile, en installant une voile sur la voiture et en la faisant avancer grâce au vent (on peut le faire en extérieur si le temps et le vent le permettent, ou créer du vent artificiel grâce à un ventilateur), ou cette solution, moins naturelle mais ne demandant aucun matériel supplémentaire.
De plus, la construction de la voiture « boîte d’allumette » peut aussi être un défi, en présentant aux participants les différents matériaux et en leur demandant de construire une voiture à quatre roues grâce à cela.
Sources et ressources
Principe de l’entropie pour aller plus loin
Principe de l’action-réaction
Différentes façons d’utiliser l’air pour propulser ici.
Deux courtes expériences pour mieux comprendre le principe d’action-réaction
Dernière modification 24/05/2020 par user:Occitan.
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