Accès aux vidéos : Moteur de Stirling  -  Etude d’un fluide au voisinage du point critiqueChaleur spécifique des gazEffet Venturi - Effet mirage - Rebonds d'une goutte - Surface d'un liquide en rotation - Fusée à eau - Stabilité du bateau

Moteur de Stirling

Cette vidéo présente l’étude d’un moteur à air chaud fonctionnant en cycle fermé, suivant un cycle thermodynamique dit de Stirling. On pourra également étudier la transformation d’énergie mécanique en énergie électrique, faire fonctionner le dispositif comme une pompe à chaleur ou un groupe frigorifique.

 

Etude d’un fluide au voisinage du point critique

Cette expérience permet d’étudier le changement d’état d’un corps pur. On étudie ici le passage de l’état liquide à l’état gazeux qui va être effectué par compression ou détente isotherme d’un fluide spécifique, le SF6.

L’étude des propriétés d’un fluide permet de trouver des applications concrètes. Les propriétés physiques de l’eau, qui est un fluide, sont par exemple utilisées pour la cuisson à la vapeur (cocotte-minute) ou encore pour la lyophilisation de certains aliments (rations pour la haute montagne ou pour l’armée). 


Chaleur spécifique des gaz

La première expérience, dite de Clément-Desormes, permet d'évaluer le coefficient d'un gaz parfait grâce au rapport entre sa capacité thermique isobare et sa capacité thermique isochore.  La deuxième expérience, appelée oscillateur de Flammersfeld, permet de déterminer le rapport de ces capacités thermiques, à pression et volume constants.
La thermodynamique des gaz parfaits est utilisée dans la thermique du bâtiment (pompe à chaleur), ou encore dans la réfrigération.

Effet Venturi

Cette vidéo présente la mise en évidence expérimentale de l’effet venturi (Giovanni Battista Venturi, physicien italien, 1746-1822) qui est un phénomène important de la dynamique des fluides où il y a formation d’une dépression dans une zone où les particules sont accélérées. Ici, dans le cas d’un tuyau présentant une section variable, on mesure la variation de pression du liquide en fonction de la section, la pression la plus faible étant observée pour la section la plus petite. Inversement la chute de pression entre deux sections de surface connues permet de remonter au débit permettant la réalisation de débitmètres très simples. Un second point mis en évidence dans cette expérience est le phénomène de décharge qui est la perte de pression entre l’entrée et la sortie d’un tuyau due aux déperditions énergétiques le long du parcours (frottement, turbulence, …). 

Effet mirage

Cette vidéo montre le comportement inhabituel d'un rayon lumineux lorsqu'il se propage dans un milieu constitué de deux couches superposées de deux liquides miscibles différents. Sous l'effet du gradient d'indice, lié au gradient de composition, qui est présent dans la zone de transition entre les deux couches, la propagation rectiligne de la lumière est mise en défaut et le rayon s'incurve fortement.
La vidéo fait ensuite le lien avec les  mirages que l'on peut observer dans l'air. Là aussi c'est le gradient d'indice, conséquence maintenant d'un gradient de température, qui courbe les rayons lumineux, ce qui est à l'origine de la formation d'images parasites que l'on appelle mirages.

Rebonds d'une goutte
Cette vidéo montre le rebond d'une goutte sur la surface d'un fluide de même nature vibré. Lorsque l'on dépose une goutte d'huile sur une couche d'huile, le phénomène que l'on observe habituellement est la coalescence, c'est à dire que la goutte fusionne avec la couche de liquide. Dans cette expérience, développée initialement par l'équipe d'Y. Couder à Paris, l'oscillation de la couche d'huile permet de renouveler le film d'air séparant la goutte d'huile qui rebondit de la surface. Dans ces conditions, on observe un système constitué de la goutte et de l'onde de surface qu'elle crée et sur laquelle elle rebondit. Lorsque l'on dépose plusieurs gouttes, elles tendent à s'organiser de manière cristalline. Si l'on augmente l'amplitude de vibration de la couche de fluide, les gouttes se mettent à se déplacer ; on peut alors observer pour la goutte, localisée, une dynamique reflétant l'onde étendue qui lui sert de support. Ce système macroscopique permet aux chercheurs, par analogie, de sonder les propriétés de systèmes quantiques.
Lien vers la conférence d'Yves Couder sur le sujet : http://www.diffusion.ens.fr/en/index.php?res=conf&idconf=1535

 

Surface d'un liquide en rotation

On étudie un liquide placé dans une cuve en rotation. La vidéo montre que la surface du liquide prend la forme d'une parabole. Sa courbure augmente comme le carré de la vitesse de rotation. Un bilan de forces permet de retrouver l'équation décrivant la surface. Quand le liquide est réfléchissant (ex : mercure), cette expérience permet de réaliser un miroir parabolique parfait permettant d'observer le ciel.


Fusée à eau

Une des applications du principe de l'action et de la réaction est la propulsion par éjection de masse. Cette vidéo détaille le fonctionnent d'une fusée à eau. Dans ce cas, l'énergie est fournie par de l'air comprimé stocké dans la fusée. Cet air sert à éjecter de l'eau. Le calcul de la force de poussée fait appel à la formule de Reynolds. Une caméra rapide permet de suivre le décollage de la fusée. Des exemples naturel et technologiques sont présentés.

Pour en savoir plus:  Theoretical and experimental analysis of the physics of water rockets , R Barrio-Perotti, E. Blanco-Marigorta, J Fernandez-Francos and M Galdo-Vega, Eur. J. Phys. (2010), 31 , 1131–1147

 

Stabilité d'un bateau.

Cette vidéo présente les paramètres importants qui gouvernent la stabilité d'un bateau. Ces ingrédients de base sont naturellement le poids du bateau et la poussée d'Archimède, auxquels peuvent se rajouter des effets déstabilisant comme la houle ou les forces dues au vent. Ici, nous montrons, dans le cas d'un bateau isolé, que la stabilité peut être définie en fonction de la position du centre de gravité du bateau et du point d'application de la poussée d'Archimède appelé métacentre. Si le métacentre est situé au-dessus du centre de gravité, le bateau est stable. Dans le cas contraire le bateau sera instable et se mettra rapidement à chavirer.