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Équilibre des corps flottants

Georges Sire, La Nature N°562 — 8 mars 1884

Mis en ligne par Denis Blaizot le mardi 4 octobre 2011

L’équilibre des corps flottants sur les liquides est un fait de constatation presque journalière, mais il n’en est pas de même lorsqu’il s’agit des fluides aériformes, une bulle de savon pleine d’air flottant sur un bain d’acide carbonique, par exemple. - La réalisation de cette jolie expérience semble nécessiter des appareils compliqués, pourtant on peut le faire très simplement, et voici une manière d’opérer à la portée de tout le monde.

On prend un vase de verre un peu large, telle qu’une cloche de melons de moyenne grandeur, que l’on place, l’ouverture en haut, sur un trépied en gros fil de fer, ou de toute autre manière.

Au fond de cette cloche, on dépose un mélange formé de parties égales de bicarbonate de soude et d’acide tartrique, réduits en poudre, que l’on répartit en une couche de faible épaisseur. — La quantité de poudre à employer dépend de la grandeur de la cloche et de l’épaisseur de l’atmosphère d’acide carbonique que l’on veut y produire. — On se basera sur cette donnée, que le bicarbonate de soude renferme la moitié de son poids d’acide carbonique, et, par suite, qu’il faut décomposer 4 grammes de bicarbonate pour produire un litre de gaz acide carbonique.

Sur l’ouverture de la cloche, on dépose une feuille de carton de grandeur convenable pour la couvrir exactement. — Le centre de ce carton est percé d’une petite ouverture circulaire, destinée à laisser passer un tube de verre assez long pour reposer sur le fond de la cloche, tout en dépassant le carton par sa partie extérieure. — C’est par ce tube et au moyen d’un petit entonnoir que l’on fait arriver au fond de la cloche, de petites quantités d’eau, que l’on verse successivement, afin que l’effervescence ne soit pas trop tumultueuse, et jusqu’à ce que la poudre soit entièrement immergée. Lorsque l’acide carbonique cesse de se dégager, on retire le tube de verre.

On a soin de préparer à l’avance, une bonne eau savonneuse ou, ce qui est préférable, le liquide glycérique de M. Plateau. — Avec l’un de ces liquides, on souffle des bulles de 10 centimètres de diamètre, à peu près, à l’extrémité d’un tube de terre faiblement évasé. — Ce tube doit être tenu vertical en amenant la bulle au-dessus du carton que l’on retire avec précaution, en le faisant glisser dans son plan, puis on détache la bulle de façon à la faire tomber suivant l’axe de la cloche. — Si cette chute a lieu d’une certaine hauteur, la bulle rebondit comme si elle était repoussée par un ressort : elle redescend, remonte plusieurs fois, en un mot, elle exécute des oscillations verticales, puis devient immobile. — C’est à ce moment qu’il convient de replacer le carton, pour ne produire aucune agitation dans l’intérieur de la cloche.

La bulle de savon ressemble alors à un petit aérostat en équilibre au sein de l’atmosphère de la cloche, mais en réalité, elle flotte sur la couche d’acide carbonique qui est invisible. — Toutefois, cet équilibre a peu de durée, l’acide carbonique se dissout rapidement dans l’enveloppe liquide de la bulle et passe dans l’intérieur dont il augmente le poids, de sorte que cette bulle descend graduellement au fond de la cloche où elle s’évanouit. — Mais on peut obtenir la suspension de plusieurs bulles successivement, c’est-à-dire que l’expérience peut être répétée plusieurs fois, si l’on évite d’agiter l’atmosphère de la cloche, en déplaçant convenablement le carton, ce qui est essentiel.

On peut remplacer la bulle de savon, par un de ces petits ballons en caoutchouc si fort estimés des enfants. — Le poids de l’enveloppe de ces ballons, est en moyenne de 1 gramme ; de sorte qu’en les gonflant à l’aide d’un soufflet jusqu’au diamètre de 15 centimètres, environ, on obtient un équilibre qui a plus de fixité et de durée ; on peut dès lors observer le phénomène tout à son aise.

Indépendamment de son attrait, l’expérience ci-dessus peut fournir le sujet de calculs intéressants, Ainsi, on pourra supposer :

1 ° Que la cloche de melons est remplacée par un cône géométrique renversé dont la génératrice fait, avec l’axe vertical, un angle de 30° ;

2° Que le mélange des sels et d’eau servant à la production de l’acide carbonique occupe, au fond de ce cône, une hauteur de 15 centimètres ;

3° Qu’il s’agit de préparer un volume de gaz acide carbonique formant, au-dessus du mélange précédent, une couche de 20 centimètres d’épaisseur, dont on évaluera le poids à la température de 15° centigrades, et sous la pression atmosphérique de 748 millimètres ;

4° On déterminera, d’après les équivalents chimiques, les quantités de bicarbonate de soude et d’acide tartrique à mettre en présence, pour produire le poids d’acide carbonique ;

5° Enfin, en assignant au petit ballon, de forme sphérique, un diamètre de 0,15m et un poids de 0,85g et en admettant que la couche d’acide carbonique est terminée par un plan horizontal nettement limité lorsque l’équilibre du ballon flottant est réalisé, on calculera le rapport entre la partie de la sphère immergée dans l’acide carbonique et la partie émergente.

Ces calculs, on le voit, peuvent être considérés comme de bons exercices d’étude.

GEORGES SIRE, Docteur ès sciences.