Expériences autour de la goutte - Olympiades de Physique France

Leclercq Guillaume

Description

Expériences autour de la goutte - Olympiades de Physique France

Sujets

• Arts

Informations

• Publié par: apicalon
• Nombre de lectures: 121
• Langue: Français
• Poids de l'ouvrage: 6 Mo

Extrait

Lycée Louis Pasteur : Hénin Beaumont
DOSSIER OLYMPIADES
DE LA PHYSIQUE 2006
Sujet : « Expériences autour de la goutte »SOMMAIRE
I ) Compte rendu d’activité
II ) Plan détaillé de présentation à l’oral
III) Annexes :
1) Feuilles de calcul :
a) Calcul de gamma au plan d’inflexion
b) Calcul du Nombre de Bond
2) Théories et démonstrations :
a) Théorie de gamma au plan d’inflexion
b) Théorie du Nombre de Bond
3) Présentation détaillée de la mesure de gamma
au plan d’inflexion :I ) Compte rendu d’activitéINTRODUCTION :
Il y a maintenant presque deux ans que le groupe du club Sciences a été formé.
Sous l'impulsion de trois professeurs du lycée ( M. Sadanne, M Leclercq et M Lelièvre)
qui sont passés dans les différentes classes présenter les objectifs du club.
Au départ il était essentiellement formé d'élèves de seconde et de quelques élèves de
première S.
Initialement, le sujet n'était pas fixé mais nos professeurs nous ont proposé de travailler
sur le thème de "la goutte d'eau".
En fait, l'idée de travailler sur la goutte d'eau leur est venue à partir d'une observation faite
par le club sciences précédent qui travaillait sur la couleur des ailes de papillon et
qui avait remarqué qu'une goutte d'eau posée sur une aile de papillon ne pénétrait
pas entre les écailles de l'aile d'une part et d'autre part prenait une surprenante forme
de sphère quasiment parfaite.(voir photo1)
Photo1
Le premier travail et les premières séances ont été consacrés aux recherches sur le thème
proposé (Internet, livres de David Quéré et Pierre Gilles de Genes, etc…)
(Voir la bibliothèque des liens et la bibliographie en annexe)
ainsi qu'à quelques observations et photos de gouttes posées sur différents supports et
recherche de supports hyper-hydrophobes naturels et artificiels comme les plumes de
canard, la laitue d'eau, ou la laine polaire ,
aile de papillon plume de canard laitue d'eau
mais également des essais de traitement de surface de verre par différents produits :
imperméabilisant chaussures, produit déperlant pour pare brise de voiture (Rain X),
pomme de terre.I) LA RECHERCHE :
Rapidement, nous nous sommes rendu compte que la tension superficielle de l'eau était un
des paramètres déterminant de la forme de la goutte.
Nous avons donc testé différentes manipulations faisant intervenir cette tension
superficielle de l'eau .Les manifestations les plus spectaculaires de cette tension
étant les différents phénomènes de capillarité que nous avons observé lors de la
montée de liquides dans des tubes capillaires ou sur le bord des récipients.
Nous avons également essayé de faire "flotter" un trombone sur de l'eau.
Dans une première approche, nous avons cherché différentes manipulations permettant de
mesurer cette tension superficielle.
Puis, nous les avons testé une par une :
• la loi de Jurin : loi de montée capillaire dans des tubes avec projection puis finalement
photo et mesure d'angle et de hauteur à l'aide d'un logiciel gratuit trouvé sur internet
(mesurim)
• méthode d'arrachement de l'anneau de Dunouy : mise au point pour éviter les effets
de bord et récupération d'un plateau de translation millimétrique d'un vieux
tensiomètre à lame pour descendre doucement le cristallisoir.• mesure d'angle de raccordement d'une goutte posée : photo puis exploitation sur un
tableur (excell) des données mesurées sur la photo.
• méthode de la goutte pendante : qui se révèle être une méthode très utilisée dans
l'industrie pour mesurer une tension superficielle
Dans ce cas précis, nous avons d'abord tenté de faire une projection de la goutte d'eau
pendante au bout d'une seringue. Il a fallu d'abord trouver une aiguille de seringue non
biseautée au bout. Puis nous nous sommes rendu compte qu'il était très difficile
d'obtenir une goutte à la limite de la rupture de manière stable. Nous avons donc opté
pour une burette automatique de chimie qui permettait de former sans secousses une
goutte stable.
La projection n'était pas satisfaisante non plus car il y avait des problèmes chromatiques en
lumière blanche qui faisaient que le contour de la goutte n'était pas net.
Nous avons donc pris une photo de la goutte en mode macro mais le contraste entre la goutte
et le fond n'était pas net non plus. Ce qui nous a amené à mettre derrière la goutte un
fond avec un dégradé vertical de gris permettant d'améliorer nettement le contraste de
la goutte qui devenait alors noire sur fond blanc ou blanche sur fond noire suivant les
régions.
Ensuite à l'aide d'un logiciel (Cineris) nous avons extrait les coordonnées des points du
contour que nous avons traitées dans un tableur pour obtenir différents paramètres
permettant de mesurer la tension superficielle.Puis nous avons testé et mis au point beaucoup d'expériences différentes portant toute
de près ou de loin sur la goutte d'eau :
• Expérience de Leïdenfrost (caléfaction d'une goutte d 'eau) : nous avons cherché à
mesurer la durée de vie d'une goutte d'eau calibrée en fonction de la température de la
plaque sur laquelle on la pose, mais nous n'arrivions pas à chauffer suffisamment
celle-ci pour que la durée de vie atteigne son maximum.
• Expérience de la goutte enrobée : nous avons acheté sur Internet de la poudre de
lycopode (spores de champignons) utilisée par les magicien pour faire crépiter les
flammes.
Nous avons essayé d'enrober une goutte d'eau avec cette poudre hydrophobe de manière à
la faire rouler ensuite sur un plan incliné. Plusieurs problèmes ce sont alors posés :
comment enrober cette goutte? Et comment la filmer?
Nous avons d'abord essayé de la poser sur un tapis de lycopode et de la saupoudrer mais ça
ne fonctionnait pas. Puis nous avons essayé de la pousser sur le tapis pour l'enrouler
dans la poudre, ce système ne fonctionnait pas mais dés que l'on posait la goutte sur le
plan incliné elle éclatait. La solution la plus simple, finalement, était de réaliser le
tapis directement sur le plan et de déposer la goutte en haut de ce tapis. De cette
manière, la goutte s'enrobe d'elle même en roulant sur ce tapis puis ce met à rouler sur
le plan avant d'éclater si la vitesse est trop grande.
Nous avons réussi en réglant l'inclinaison du plan à obtenir un tore liquide lors du
dévalement, mais nous n'avons malheureusement jamais réussi à le filmer malgré tous
nos essais avec différentes caméras faute d'avoir une caméra ultrarapide.II) LA VERSION DEFINITIVE:
Cette première version nous paraissait finalement être une sorte de catalogue des différentes
méthodes permettant de mesurer la tension superficielle agrémenté d'expériences
originales mais elle ne répondait pas à notre questionnement initial.
Nous avons donc décidé de nous recentrer sur le questionnement initial à savoir : quels sont
les paramètres qui influent sur la forme de la goutte d'eau dans diverses situations ?
Nous avons donc recherché ces différents paramètres et essayé de les modifier.
• Modification de l’interaction entre le liquide et le solide :
- Nous avons repris les expériences de traitement d'une surface de verre par différentes
substances pour modifier l'interaction entre le liquide et le solide et observé les
résultats.
- Nous avons modifié également cette interaction à l'aide de poudre de lycopode et même
réussi à faire flotter une goutte d'eau enrobée sur de l'eau !
- Puis en faisant reposer la goutte sur son coussin de vapeur (Leïdenfrost)
• Modification de l’interaction entre le liquide et l’air :
- Nous avons cherché à modifier la tension superficielle de l'eau à l'aide d'un tensioactif. Le
résultat sur la forme d'une goutte posée est spectaculaire.avant après
Nous avons ensuite étudié au microscope diverses surfaces naturelles hyper-hydrophobes pour
rechercher ce qui les rendait tellement hydrophobes. Nous avons constaté que la seule
similarité était qu'elles avaient une structure rugueuse et régulière.
Aile de papillon Plume de canard Laitue d'eau
Nous avons donc décidé de fabriquer une maquette expliquant le phénomène