Fonctionnement de l'oiseau buveur

Fonctionnement de l'oiseau buveur
Par , le (édité le 10/01/2015)

Qu'est-ce que l'oiseau buveur ?

L'oiseau buveur (ou canard buveur) est un jouet composé d'un pied sur lequel est monté sur un axe une enceinte en verre (le corps de l'oiseau, appelé ici fiole), scellée et contenant un liquide. La fiole est un tube reliant deux petits conteneurs, l'un représentant la tête de l'oiseau (avec un bec) et l'autre le reste du corps. L'ensemble est placé devant un verre d'eau.

Oiseau buveur
Oiseau buveur. Icône de téléchargement Télécharge la vidéo (7.3 Mo) pour le voir en mouvement !

Lorsque l'oiseau buveur est en marche, le liquide, initialement dans le conteneur du bas, monte dans le tube et atteint le conteneur du haut. En conséquence, l'oiseau se penche vers l'avant jusqu'à ce que le bec trempe dans l'eau du verre. A ce moment, tout le liquide dans le tube redescend dans le conteneur du bas et l'oiseau se redresse. Le cycle peut alors recommencer, apparemment indéfiniment, ce qui suggère que l'oiseau buveur pourrait être un moteur à mouvement perpétuel.

Schema d'un oiseau buveur en marche
En fonctionnement, l'oiseau buveur oscille de l'avant vers l'arrière, tout s'abaissant de plus en plus, jusqu'à tremper son bec dans le verre. Il se relève ensuite brusquement et se remet à osciller. Icône de téléchargement Télécharger la vidéo (7.3 Mo).

Où se procurer un oiseau buveur ?

C'est un objet assez difficile à trouver en France. Mais il est généralement possible d'en commander un à l'étranger sur un site tel qu'eBay ou Amazon.


Fonctionnement

Source d'énergie

Refroidissement par évaporation

Quand il est en marche, l'oiseau oscille autour de son axe. L'axe est une tige métallique insérée entre les deux pieds. En raison de frottements entre l'axe et les pieds, ainsi qu'avec l'air, l'oiseau devrait s'arrêter de fonctionner assez rapidement s'il n'y avait pas de source d'énergie. En réalité, l'oiseau peut fonctionner sans intervention extérieure pendant plusieurs heures, voire quelques jours. Il peut aussi démarrer d'une position immobile : Icône de téléchargement voir la vidéo (3.2 Mo). Il y a donc nécessairement une source d'énergie quelque part. Et elle est bien cachée !

Eléments constituant un oiseau buveur
Éléments d'un oiseau buveur

La source d'énergie est au niveau de la tête. La surface rouge est poreuse et imbibée de l'eau fournie par le verre lorsque le bec trempe dans l'eau. L'eau s'évapore en permanence, ce qui a pour effet de refroidir la tête. C'est cette évaporation, possible car l'air libre autour de l'oiseau n'est pas saturé en eau, qui fournit de l'énergie à la fiole en verre et son liquide, sous la forme d'une différence de température entre le conteneur du haut et le conteneur du bas. Si tu connais un peu de thermodynamique, tu sais peut-être qu'il faut une source chaude et une source froide pour faire un moteur. Ici, la couche poreuse imbibée d'eau sur la tête est la source froide et l'air à température ambiante autour de la fiole du bas est la source chaude.


Expérience de refroidissement par évaporation

Si tu n'es pas convaincu que l'évaporation d'un liquide engendre son refroidissement, essaie cette petite expérience :

  • Verse de l'eau du robinet dans un verre et attend quelques heures.

  • Mesure la température ambiante avec un thermomètre puis plonge-le dans le verre afin de vérifier que la température est à peu près la même.

  • Imbibe un mouchoir en papier en le trempant dans le verre et enroule-le autour du thermomètre. Si tu utilises un thermomètre à alcool, enroule le mouchoir autour de la petite boule rouge (c'est là que la majorité de l'alcool se trouve).

  • Secoue le thermomètre habillé du mouchoir pour favoriser l'évaporation : la température baisse de quelques degrés !


Moteur thermique

Revenons à l'oiseau. Il y a donc une différence de température entre le conteneur du haut (qui est froid) et le conteneur du bas (qui est chaud, enfin à température ambiante). Pour comprendre la suite des évènements, il faut savoir ce qu'il y a à l'intérieur de la fiole en verre. Le liquide dépend du modèle d'oiseau et est souvent du dichlorométhane, mais ce n'est pas le point important. Le point important est que la fiole ne contient pas d'air : si le liquide est du dichlorométhane, alors le gaz au-dessus du liquide sera aussi du dichlorométhane. Lorsque rien ne bouge, on appelle cela un équilibre liquide-gaz.

Les équilibres liquide-gaz sont facilement perturbés par de petites différences de température. En effet, le fait d'avoir un même composant pur dans deux phases à l'équilibre (liquide et gazeux) dans la fiole, conduit à avoir le gaz dans un état à la limite de sa condensation, c'est-à-dire que si l'on baissait un tout petit peu la température du gaz, une partie de celui-ci se transformerait en liquide en formant de petites gouttelettes (comme la rosée que l'on trouve le matin sur l'herbe après une nuit fraiche). Or, lorsque l'oiseau est en marche, le verre du conteneur du haut est justement refroidi. Voilà donc comment l'oiseau fonctionne étape par étape :

  • On part d'une position initiale avec le niveau du liquide à mi-hauteur dans le tube, et l'oiseau immobile et vertical.

  • Du gaz se condense (se liquéfie) dans le conteneur du haut sur les parois intérieures qui sont refroidies par l'évaporation de l'eau imbibée sur la tête de l'oiseau.

  • La condensation ci-dessus transforme du gaz en liquide, ce qui réduit le nombre de molécules de gaz dans la poche gazeuse au niveau de la tête. Si un bouchon était placé dans le tube au niveau de l'interface liquide-gaz, la pression du gaz dans la tête diminuerait car le volume est constant. Cela conduirait à une pression plus faible au-dessus du bouchon qu'en dessous. Comme dans une bouteille de champagne, le bouchon aurait alors tendance à être poussé vers le haut. Mais il n'y a en réalité pas de bouchon, et donc rien qui n'empêche l'interface à être poussée vers le haut. Le niveau monte !

Oiseau buveur avec bouchon
Fiole avec bouchon virtuel qui maintient le niveau constant. Il y a principalement deux pressions dans le système : dans le gaz du conteneur du bas et dans le gaz du conteneur du haut. Si le bouchon empêche le niveau dans le tube de changer, la condensation dans la tête diminue la pression en haut, alors que la pression reste constante en bas. Ainsi, une force vers le haut agit sur le bouchon. Sans bouchon cela revient à voir le niveau de liquide monter.
  • Il reste un détail à régler : Si le niveau du liquide monte, alors la poche de gaz dans le conteneur du bas doit augmenter de volume (le liquide ne peut pas, car les liquides sont plutôt incompressibles). Du coup la pression devrait diminuer en bas, ce qui s'oppose à la montée du niveau dans le tube. En réalité, comme le conteneur du bas est maintenu à température ambiante, sa pression va être maintenue constante car il y a un équilibre liquide-gaz au niveau de l'interface liquide-gaz dans le conteneur du bas. Cette pression constante alors que le volume augmente implique qu'à cette interface des molécules de liquide se vaporisent. Le liquide peut donc bien monter dans le tube.

  • En montant, le liquide déplace le centre de gravité de l'oiseau et l'éloigne de son axe de rotation, ce qui a tendance à faire pencher l'oiseau vers l'avant.

  • En se penchant, l'oiseau se retrouve en position horizontale et trempe son bec dans l'eau. Du fait de la géométrie de la fiole, du gaz de la poche de gaz du conteneur du bas rentre dans le tube, et à l'inverse le liquide revient dans le conteneur du bas.

Oiseau buveur horizontal
En position presque horizontale, le tube se vide de son liquide.
  • Comme le liquide a changé de côté, l'oiseau se redresse, et le cycle peut recommencer.


L'oiseau s'arrête-t-il au bout d'un certain temps ?

Oui. Comme la source d'énergie est l'évaporation de l'eau sur la tête, l'oiseau s'arrête lorsque toute l'eau s'est évaporée. S'il n'y avait pas de verre, l'oiseau s'arrêterait assez rapidement. Mais avec le verre, la tête est réapprovisionnée en eau au fur et à mesure qu'elle s'évapore. Le niveau d'eau du verre va diminuer et l'oiseau va donc quand même s'arrêter mais beaucoup plus tard, peu après que le niveau dans le verre ne devienne trop bas et que le bec ne puisse plus tremper dedans. Pour faire fonctionner l'oiseau indéfiniment, il faut donc rajouter régulièrement de l'eau dans le verre. Une fois par jour est normalement suffisant.