Bateau propulsé par la tension de surface

Bateau propulsé par la tension de surface
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Ce qu'il te faut

  • Une plaque de polystyrène expansé (ou autre mousse)
  • Une éponge
  • Un cutter
  • Une règle
  • Du liquide vaisselle
  • Un évier, une baignoire ou une cuvette d'eau
Adulte Réalise cette expérience en présence d'un adulte.

Introduction

Lorsqu'un objet flottant est placé dans l'eau, la tension de surface (due à l'interface entre l'air et l'eau) crée des forces qui agissent sur l'objet. Lorsque le liquide est homogène, ces forces s'annulent. Cette expérience montre comment briser l'équilibre et créer un "moteur" à tension de surface.


Expérience

Construction du radeau à tension de surface

Construis un bateau à tension de surface:

  • Découpe dans la plaque de polystyrène un rectangle de 16 cm de long et 4 cm de large environ.

  • Découpe un carré de 1,5 de côté le long d'un des bords courts du rectangle, comme sur la photo de droite ci-dessous.

Découpage de la mousse
Découpage de la mousse
  • Découpe dans l'éponge un pavé dont un des côtés est légèrement plus grand que le carré découpé dans le polystyrène.

Découpage de l'éponge
Découpage de l'éponge
  • Insère le morceau d'éponge dans la cavité du radeau en polystyrène. Il doit pouvoir tenir tout seul.

Radeau
Le radeau est prêt! Le morceau d'éponge doit bien rester coincé dans la cavité.

Utilisation du bateau

  • Imbibe l'éponge avec un peu d'eau.

  • Place le bateau dans l'eau. Attends qu'il soit immobile et fais en sorte qu'il ne soit pas contre un bord du bassin.

  • Dépose quelques gouttes de liquide vaisselle sur l'éponge. Au bout de quelques instants, le liquide vaisselle va atteindre l'eau du bassin et le bateau démarre.

Bateau à tension de surface dans l'eau
Bateau à tension de surface dans l'eau. Le bateau avance à quelques centimètres par seconde dans la direction indiquée par la flèche.

Au bout d'un moment, le bateau finit par s'arrêter. Dans une cuvette ou une baignoire, cela se produit avant qu'il ne reste plus de liquide vaisselle sur l'éponge. Il faut alors changer l'eau du bassin pour que le bateau fonctionne à nouveau.


Explication courte

Le bateau est propulsé par l'effet Marangoni. Lorsque le liquide vaisselle de l'éponge est en contact l'eau du bassin, certaines molécules du produit vaisselle se dissolvent dans l'eau et d'autres vont se déposer à l'interface entre l'air et l'eau du bassin. Le deuxième phénomène est celui qui génère la propulsion. Autour du bateau la surface est inhomogène: il y a des tensioactifs d'un côté, mais pas de l'autre. Ceci a pour effet de créer un écoulement du fluide vers les surfaces pleines de molécules tensioactives. Par rétroaction, le bateau avance dans la direction où il y a le moins de molécules tensioactives.

La propulsion par effet Marangoni est utilisée dan le monde animal par certains insectes. Par exemple l'insecte Microvelia peut se propulser sur l'eau jusqu'à 17 cm/s en diffusant des molécules tensioactives.

Insecte Microvelia
Insecte Microvelia. Mithril sur Wikimedia Commons, CC BY-SA 2.0

Expériences supplémentaires

Essaie de propulser le bateau avec différents "carburants". Les bons carburants sont les produits dont les molécules aiment se déposer aux interfaces plutôt que de se dissoudre dans le volume du liquide. Autrement dit, il faut des molécules tensioactives, qui ont la propriété d'abaisser la tension de surface. La plupart des détergents devraient convenir. En essayant d'autres produits (alcool à bruler, sirop, etc.) tu peux déterminer à l'aide du bateau ceux qui ont des propriétés tensioactives.