Ce qu'il te faut
- Du Silly Putty (au moins 30 g)
- Un verre (plutôt large et pas trop haut)
- Une feuille de plastique transparent pour rétroprojecteur
- Des ciseaux
- Un marqueur permanent fin
- Une règle
- Facultatif : Un compas qui peut maintenir le marqueur
- Du scotch
Introduction
Cette expérience a pour but de caractériser la très haute viscosité d'un polymère : le Silly Putty. Pour en savoir plus sur ce qu'est le Silly Putty et où en trouver, consulte le début de cette page.
Expérience d'écoulement
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Coupe le papier transparent selon le schéma ci-dessous :
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Plie le morceau obtenu selon les flèches bleues pour joindre les deux arêtes droites et former un cône avec un trou au milieu. Utilise du scotch pour attacher les deux arêtes ensemble (le papier peut se superposer sur quelques millimètres pour plus de robustesse). Fais en sorte que le trou soit circulaire et d'un diamètre entre 0.5 et 1 cm.
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Place l'entonnoir artisanal sur le verre et le Silly Putty dans l'entonnoir.
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Observe comme l'écoulement du Silly Putty à travers l'entonnoir est lent. Tu peux laisser l'expérience en place pendant plusieurs jours.
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Essaie de répéter l'expérience avec des trous de différentes tailles. Tu devrais pouvoir voir deux régimes d'écoulement qui sont caractéristiques d'un comportement liquide : un filet continu jusqu'au fond du verre dans le cas d'un gros trou, ou des gouttes dans le cas d'un petit trou.
Vidéos accélérées
Comme le Silly Putty met vraiment beaucoup de temps à s'écouler, il est intéressant d'observer le phénomène "en accéléré". Les vidéos téléchargeables ci-dessous montrent en vue accélérée le polymère s'écoulant dans des trous de différentes tailles.
Voir la vidéo (3,41 Mo). La vidéo est accélérée 10000 fois ! Sur cette échelle de temps, le polymère ressemble à un liquide.
cette vidéo (4,41 Mo), le diamètre du trou est de 3.5 mm et le Silly Putty s'écoule au goutte à goutte. La vidéo est accélérée 50000 fois et la durée totale réelle est de plus de 22 jours. Seulement 10 gouttes sont tombées pendant cette durée !Mesure de viscosité
Il est possible d'estimer en laboratoire la viscosité du Silly Putty quand il s'écoule goutte par goutte comme dans la deuxième vidéo. Le débit volumique moyen (volume moyen coulant au travers du trou par unité de temps) est obtenu en mesurant le volume d'une goutte et le temps qui s'écoule entre deux gouttes. La viscosité est alors déduite en comparant le débit du Silly Putty avec d'autres liquides de viscosité connue s'écoulant dans des conditions similaires dans le même entonnoir.
Cependant, la deuxième vidéo montre que le débit n'est pas constant au cours du temps. Ce débit dépend de la hauteur de polymère dans l'entonnoir, mais comme ce niveau change très peu au cours de la durée de la vidéo, ce n'est pas la raison du changement de débit. La raison est le caractère thixotropique du polymère qui est montré plus en détail dans l'expérience de thixotropie. Les viscosités trouvées au début et à la fin de la vidéo sont de $2.10^5\,\text{Pa}\cdot\text{s}$ et de $4.10^6\,\text{Pa}\cdot\text{s}$. C'est énorme comparé aux liquides usuels, comme l'indique cette échelle comparative :
Pour comprendre pourquoi le Silly Putty est si visqueux, visite cette page.
Une expérience historique similaire: la goutte de poix
Des matériaux plus visqueux que le Silly Putty existent ! Dans une expérience commencée en 1927 par le Professeur Thomas Parnell à l'Université de Queensland (Australie), un entonnoir rempli de poix (bitume) se vide au goutte à goutte très lentement à travers un entonnoir de 0.9 cm de diamètre. Entre 1930 et 2000, seulement 8 gouttes sont tombées et la viscosité a été estimée à $2.10^8\,\text{Pa}\cdot\text{s}$ !
