Voiture propulsée par un ballon : Différence entre versions

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{{Tuto Step
 
{{Tuto Step
|Step_Title=Préparation du materiel et de l'environment
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|Step_Title=Préparation du matériel
 
|Step_Content=Pour fabriquer ta voiture ballon, il te faut :
 
|Step_Content=Pour fabriquer ta voiture ballon, il te faut :
  
  
•     Un [http://www.wikidebrouillard.org/index.php/Ballon_de_baudruche ballon de baudruche]
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•     Un ballon de baudruche
  
•     4 [http://www.wikidebrouillard.org/index.php/Bouchon bouchons] de [http://www.wikidebrouillard.org/index.php/Bouteille bouteille] en plastique
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•     4 bouchons de bouteille  en plastique et une vrille pour fabriquer les roues
  
 
•     Du carton
 
•     Du carton
  
•    2  [http://www.wikidebrouillard.org/index.php/Pic_à_brochette pics à brochette]
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•    2  pics à brochette
  
 
•     Du ruban adhésif
 
•     Du ruban adhésif
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•     Trois pailles (ou tubes de stylos démontables)
 
•     Trois pailles (ou tubes de stylos démontables)
  
•     Vrille
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•     Un crayon, une règle et des ciseaux pour tracer sur le carton et découper
 
 
•     Un crayon
 
 
 
•     Une règle
 
 
 
•     Des ciseaux
 
 
|Step_Picture_00=Voiture_propuls_e_par_un_ballon_mat_riel-2.jpg
 
|Step_Picture_00=Voiture_propuls_e_par_un_ballon_mat_riel-2.jpg
 
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}}
 
{{Tuto Step
 
{{Tuto Step
|Step_Title=Découpage
+
|Step_Title=Préparation de l'expérience
|Step_Content=- Découpe un petit morceau de carton.  
+
|Step_Content=* Découpe un petit morceau de carton en rectangle.
 +
* Trace des lignes bien parallèles aux bords du carton et découpe les pailles un peu plus grandes que la largeur du carton.
 +
* Perce les bouchons en leur centre pour en faire des roues.
 +
* Enfile ensuite les deux baguettes de bois chacune dans une paille.
 +
* Fixe un bouchon de chaque côté des deux baguettes, sans bloquer la paille.
 +
* Il faut que les roues tournent facilement si on tient délicatement la paille.
 +
* Fixe les pailles bien droites sur le carton avec du ruban adhésif, le long des lignes tracées
 +
* Coupe un morceau de paille (si possible de gros diamètre) puis rentre-le dans le ballon.
 +
* Scotche le ballon bien serré autour de la paille pour qu'il n'y ait pas de fuite d'air, mais sans écraser la paille !
 +
* Colle le ballon sur la voiture au niveau de la paille.
  
- Trace des lignes bien parallèles aux bords du carton et découpe les pailles un peu plus grandes que la largeur du carton.
+
 
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Voilà, ta voiture est prête !
 
|Step_Picture_00=Voiture_propuls_e_par_un_ballon_tape_1.jpg
 
|Step_Picture_00=Voiture_propuls_e_par_un_ballon_tape_1.jpg
 
|Step_Picture_01=Voiture_propuls_e_par_un_ballon_tape_4.jpg
 
|Step_Picture_01=Voiture_propuls_e_par_un_ballon_tape_4.jpg
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|Step_Picture_02=Voiture_propuls_e_par_un_ballon_tape_2.jpg
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|Step_Picture_03=Voiture_propuls_e_par_un_ballon_tape_5.jpg
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|Step_Picture_04=Voiture_propuls_e_par_un_ballon_tape_8.jpg
 +
|Step_Picture_05=Voiture_propuls_e_par_un_ballon_tape_11.jpg
 
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{{Tuto Step
 
{{Tuto Step
|Step_Title=Préparation des roues
+
|Step_Title=Manipulation
|Step_Content=- Perce les bouchons au centre pour en faire des roues.
+
|Step_Content=*  Souffle dans le morceau de paille pour gonfler le ballon puis pince la paille avec les doigts pour empêcher l'air de sortir.
|Step_Picture_00=Voiture_propuls_e_par_un_ballon__tape_2.jpg
+
* Pose la voiture sur une table ou par terre et laisse l'air s'échapper du ballon !
|Step_Picture_01=Voiture_propuls_e_par_un_ballon__tape_3.jpg
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|Step_Picture_00=Voiture_propuls_e_par_un_ballon_tape_12.jpg
}}
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|Step_Picture_01=Voiture_propuls_e_par_un_ballon_IMG_20200325_151257.jpg
{{Tuto Step
 
|Step_Title=Utilisation des pailles
 
|Step_Content=- Enfiler ensuite les deux baguettes de bois chacune dans une paille.
 
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{{Tuto Step
 
|Step_Title=Montage des roues
 
|Step_Content=Fixe un bouchon de chaque côté des deux baguettes, sans bloquer la paille.
 
 
 
Il faut que les roues tournent facilement si on tient délicatement la paille.
 
|Step_Picture_00=Voiture_propuls_e_par_un_ballon__tape_5.jpg
 
|Step_Picture_01=Voiture_propuls_e_par_un_ballon__tape_6.jpg
 
}}
 
{{Tuto Step
 
|Step_Title=Encore un histoire de fixation
 
|Step_Content=Fixer les pailles bien droites sur le carton avec du ruban adhésif, le long des lignes tracées
 
|Step_Picture_00=Voiture_propuls_e_par_un_ballon__tape_7-2.jpg
 
|Step_Picture_01=Voiture_propuls_e_par_un_ballon__tape_8.jpg
 
}}
 
{{Tuto Step
 
|Step_Title=Ensuite ....et non, ce n'est pas fini !
 
|Step_Content=- Coupe un morceau de paille (si possible de gros diamètre) puis rentre le dans le ballon.
 
 
 
- Scotcher le ballon bien serré autour de la paille pour qu'il n'y ait pas de fuite, mais sans écraser la paille !
 
 
 
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|Step_Picture_00=Voiture_propuls_e_par_un_ballon__tape_10.jpg
 
|Step_Picture_01=Voiture_propuls_e_par_un_ballon__tape_11.jpg
 
}}
 
{{Tuto Step
 
|Step_Title=On passe au montage final
 
|Step_Content= - Colle le ballon sur la voiture au niveau de la paille.
 
 
 
 
 
Voilà, c'est prêt !
 
|Step_Picture_00=Voiture_propuls_e_par_un_ballon__tape_12-2.jpg
 
 
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{{Tuto Step
 
{{Tuto Step
|Step_Title=On y met de l'air
+
|Step_Title=Pour aller plus loin
|Step_Content= Souffle dans le morceau de paille pour gonfler le ballon puis pince la paille avec le doigt.
+
|Step_Content=Tu peux ensuite faire plein de choses avec ta voiture ! Tu peux essayer de la décorer, de la faire plus grande ou plus petite pour voir si elle va plus loin ou non par exemple.
|Step_Picture_00=Voiture_propuls_e_par_un_ballon_IMG_20200325_151257.jpg
 
}}
 
{{Tuto Step
 
|Step_Title=C'est parti on roule !
 
|Step_Content= - Pose la « voiture » sur une table et laisse l'air s'échapper du ballon !
 
 
 
 
 
Oups ! sur le sol ça ira plus loin....
 
 
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{{Notes
 
{{Notes
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|Avertissement=Si les roues frottent sur la voiture, si le ballon est mal fixé ou si le ballon fuit.
 
|Avertissement=Si les roues frottent sur la voiture, si le ballon est mal fixé ou si le ballon fuit.
|Explanations=L’[http://www.wikidebrouillard.org/index.php/Air air] expulsé est responsable du mouvement de la voiture.
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|Explanations=En gonflant le ballon, on va le remplir d'air et garder l'air dans le ballon. Comme le ballon ne laisse pas échapper l'air, il va rester à l'intérieur et remplir tout l'intérieur du ballon. Grâce à cela, on crée ce qu'on appelle une '''pression''' de l'air. Plus le ballon sera gonflé, plus la pression de l'air dans le ballon sera grande, et plus l'air expulsé fera avancer la voiture.  
 
 
La voiture avance donc dans le sens inverse de l’expulsion de l’[http://www.wikidebrouillard.org/index.php/Air air].
 
 
 
L’air dans le ballon est sous pression. Lorsque le ballon se gonfle, le matériau élastique utilisé pour fabriquer le ballon s’étire et comprime l’air emprisonné. Plus le ballon est gonflé, plus l’air est sous pression.
 
  
Lorsque l’ouverture du ballon est libérée, l’air contenu dans celui-ci s’échappe, propulsant ainsi la voiture.
 
  
C'est le principe d'action-réaction.
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Lorsque l'on va libérer le ballon, l’air expulsé par le ballon sort par la paille. Pourtant la voiture n'avance pas dans la direction de la paille ! C'est parce que la pression de l'air dans le ballon fait avancer la voiture dans le sens opposé. C'est ce qu'on appelle le '''principe d'action-réaction'''. Ici, l'action correspond à la sortie de l'air par la paille, qui va provoquer comme réaction l'avancée de la voiture dans le sens inverse !
 
|Deepen=Lorsque le ballon est gonflé, une tension est imposée par la surface élastique en caoutchouc, en réponse à sa déformation (ici c’est une dilatation dont l'allongement relatif sera fonction du module d'Young qui entre lui même en jeu, dans l'expression de la contrainte que l'on impose en gonflant) impose une pression à l'intérieur de celui-ci. On rappelle que la loi de Hooke dit que :  
 
|Deepen=Lorsque le ballon est gonflé, une tension est imposée par la surface élastique en caoutchouc, en réponse à sa déformation (ici c’est une dilatation dont l'allongement relatif sera fonction du module d'Young qui entre lui même en jeu, dans l'expression de la contrainte que l'on impose en gonflant) impose une pression à l'intérieur de celui-ci. On rappelle que la loi de Hooke dit que :  
  
Avec σ (en Pascal) égale à une contrainte soit où F est une force (en Newton) et S la surface (en m²) sur laquelle la force agit.
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* Avec σ (en Pascal) égale à une contrainte soit où F est une force (en Newton) et S la surface (en m²) sur laquelle la force agit.
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* Avec E (en Pascal) le module d'Young
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* Avec ε l'allongement relatif
  
Avec E (en Pascal) le module d'Young
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Mais intéressons-nous à l'explication de cette tension que l'on retrouve dans de nombreux milieux élastiques et qui impose cette force de restitution, force qui tend à ramener le matériau dans sa configuration non étirée. 
  
Avec ε l'allongement relatif
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Le caoutchouc est constitué de molécules flexibles, reliées entre elles par des liaisons appelées des cross-link.
  
Mais intéressons-nous à l'explication de cette tension que l'on retrouve dans de nombreux milieux élastiques et qui impose cette force de restitution, force qui tend à ramener le matériau dans sa configuration non étirée.
 
  
Le caoutchouc est constitué de molécules flexibles, reliées entre elles par des liaisons appelées des cross-link.
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Ces derniers sont introduits pendant la vulcanisation du latex (voir la fiche sur les ballons de baudruche), c'est à dire au moment où on le mélange avec du soufre pour le rendre plus résistant. Dans la configuration initiale, les molécules du ballon ont une position allongée puis, avec l'étirement, elles se redressent, la distance inter cross-link augmente alors.
  
Ces derniers sont introduits pendant la vulcanisation du latex (voir la fiche sur les [http://www.wikidebrouillard.org/index.php/Ballon_de_baudruche ballons de baudruche]), c'est à dire au moment où on le mélange avec du soufre pour le rendre plus résistant. Dans la configuration initiale, les molécules du ballon ont une position allongée puis, avec l'étirement, elles se redressent, la distance inter cross-link augmente alors.
 
  
 
Durant cet étirement, si l'on raisonne thermodynamiquement, il est possible d'observer une diminution de l'entropie (c’est le « degré de désorganisation » d’un système moléculaire). Lorsque le morceau de caoutchouc n'est pas tiré, il existe des mouvements aléatoires entre les cross-link. Puisque aucune direction n'est privilégiée, il en résulte une entropie maximale (les molécules sont donc très désorganisées). Puis si on étire ce morceau, le redressement des molécules impose la diminution de l'entropie (plus on étire le ballon, plus les molécules sont « rangées ») : l'énergie libérée diminue alors et l'énergie dans le matériau est celle qui tend à ramener les molécules dans leurs configuration initiale, soit à minimiser la distance entre les cross-link. En d’autres termes, plus on étire le ballon, plus il tend à vouloir reprendre sa forme initiale.
 
Durant cet étirement, si l'on raisonne thermodynamiquement, il est possible d'observer une diminution de l'entropie (c’est le « degré de désorganisation » d’un système moléculaire). Lorsque le morceau de caoutchouc n'est pas tiré, il existe des mouvements aléatoires entre les cross-link. Puisque aucune direction n'est privilégiée, il en résulte une entropie maximale (les molécules sont donc très désorganisées). Puis si on étire ce morceau, le redressement des molécules impose la diminution de l'entropie (plus on étire le ballon, plus les molécules sont « rangées ») : l'énergie libérée diminue alors et l'énergie dans le matériau est celle qui tend à ramener les molécules dans leurs configuration initiale, soit à minimiser la distance entre les cross-link. En d’autres termes, plus on étire le ballon, plus il tend à vouloir reprendre sa forme initiale.
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Mais si on le gonfle trop, celui-ci explose. La pression exercée par l’air, à l’intérieur du ballon, étant trop forte, les liaisons se rompent et il finit par se déchirer.
 
Mais si on le gonfle trop, celui-ci explose. La pression exercée par l’air, à l’intérieur du ballon, étant trop forte, les liaisons se rompent et il finit par se déchirer.
|Related=•   [http://www.wikidebrouillard.org/index.php/Un_ballon_à_réaction Un ballon à réaction]
 
 
•    Balade thématique sur l''''[http://www.wikidebrouillard.org/index.php/Air air]'''
 
 
'''Autres expériences'''
 
 
•     Principe de l’[https://www.edumedia-sciences.com/fr/media/80-principe-daction-reaction action-réaction]
 
 
•     Différentes façons d’utiliser l’air pour propulser [http://www4.ac-nancy-metz.fr/ia57science/spip.php?article64 ici].
 
 
'''Deux courtes''' [http://eduscol.education.fr/orbito/lanc/princip/princip3.htm expériences] '''pour mieux comprendre le principe d’action-réaction'''
 
 
|Objectives=•     Comprendre le principe d’action-réaction
 
|Objectives=•     Comprendre le principe d’action-réaction
  
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|Notes=Principe de l’[http://www.futura-sciences.com/sciences/definitions/physique-entropie-3895/ entropie] pour aller plus loin
 
|Notes=Principe de l’[http://www.futura-sciences.com/sciences/definitions/physique-entropie-3895/ entropie] pour aller plus loin
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Principe de l’[https://www.edumedia-sciences.com/fr/media/80-principe-daction-reaction action-réaction]
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Différentes façons d’utiliser l’air pour propulser [http://www4.ac-nancy-metz.fr/ia57science/spip.php?article64 ici].
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Deux courtes [http://eduscol.education.fr/orbito/lanc/princip/princip3.htm expériences] pour mieux comprendre le principe d’action-réaction
 
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Version du 1 avril 2020 à 14:31

Auteur avatarEmma soares | Dernière modification 24/05/2020 par Occitan

Voiture propuls e par un ballon IMG 20200325 151257.jpg

Étape 1 - Préparation du matériel

Pour fabriquer ta voiture ballon, il te faut :


•     Un ballon de baudruche

•     4 bouchons de bouteille en plastique et une vrille pour fabriquer les roues

•     Du carton

•   2 pics à brochette

•     Du ruban adhésif

•     Trois pailles (ou tubes de stylos démontables)

•     Un crayon, une règle et des ciseaux pour tracer sur le carton et découper



Étape 2 - Préparation de l'expérience

  • Découpe un petit morceau de carton en rectangle.
  • Trace des lignes bien parallèles aux bords du carton et découpe les pailles un peu plus grandes que la largeur du carton.
  • Perce les bouchons en leur centre pour en faire des roues.
  • Enfile ensuite les deux baguettes de bois chacune dans une paille.
  • Fixe un bouchon de chaque côté des deux baguettes, sans bloquer la paille.
  • Il faut que les roues tournent facilement si on tient délicatement la paille.
  • Fixe les pailles bien droites sur le carton avec du ruban adhésif, le long des lignes tracées
  • Coupe un morceau de paille (si possible de gros diamètre) puis rentre-le dans le ballon.
  • Scotche le ballon bien serré autour de la paille pour qu'il n'y ait pas de fuite d'air, mais sans écraser la paille !
  • Colle le ballon sur la voiture au niveau de la paille.


Voilà, ta voiture est prête !

Étape 3 - Manipulation

  •  Souffle dans le morceau de paille pour gonfler le ballon puis pince la paille avec les doigts pour empêcher l'air de sortir.
  • Pose la voiture sur une table ou par terre et laisse l'air s'échapper du ballon !


Étape 4 - Pour aller plus loin

Tu peux ensuite faire plein de choses avec ta voiture ! Tu peux essayer de la décorer, de la faire plus grande ou plus petite pour voir si elle va plus loin ou non par exemple.

Comment ça marche ?

Observations : que voit-on ?

Lorsque le ballon se dégonfle, la voiture avance.


Mise en garde : qu'est-ce qui pourrait faire rater l'expérience ?

Si les roues frottent sur la voiture, si le ballon est mal fixé ou si le ballon fuit.

Explications

En gonflant le ballon, on va le remplir d'air et garder l'air dans le ballon. Comme le ballon ne laisse pas échapper l'air, il va rester à l'intérieur et remplir tout l'intérieur du ballon. Grâce à cela, on crée ce qu'on appelle une pression de l'air. Plus le ballon sera gonflé, plus la pression de l'air dans le ballon sera grande, et plus l'air expulsé fera avancer la voiture.


Lorsque l'on va libérer le ballon, l’air expulsé par le ballon sort par la paille. Pourtant la voiture n'avance pas dans la direction de la paille ! C'est parce que la pression de l'air dans le ballon fait avancer la voiture dans le sens opposé. C'est ce qu'on appelle le principe d'action-réaction. Ici, l'action correspond à la sortie de l'air par la paille, qui va provoquer comme réaction l'avancée de la voiture dans le sens inverse !

Plus d'explications

Lorsque le ballon est gonflé, une tension est imposée par la surface élastique en caoutchouc, en réponse à sa déformation (ici c’est une dilatation dont l'allongement relatif sera fonction du module d'Young qui entre lui même en jeu, dans l'expression de la contrainte que l'on impose en gonflant) impose une pression à l'intérieur de celui-ci. On rappelle que la loi de Hooke dit que :

  • Avec σ (en Pascal) égale à une contrainte soit où F est une force (en Newton) et S la surface (en m²) sur laquelle la force agit.
  • Avec E (en Pascal) le module d'Young
  • Avec ε l'allongement relatif

Mais intéressons-nous à l'explication de cette tension que l'on retrouve dans de nombreux milieux élastiques et qui impose cette force de restitution, force qui tend à ramener le matériau dans sa configuration non étirée.

Le caoutchouc est constitué de molécules flexibles, reliées entre elles par des liaisons appelées des cross-link.


Ces derniers sont introduits pendant la vulcanisation du latex (voir la fiche sur les ballons de baudruche), c'est à dire au moment où on le mélange avec du soufre pour le rendre plus résistant. Dans la configuration initiale, les molécules du ballon ont une position allongée puis, avec l'étirement, elles se redressent, la distance inter cross-link augmente alors.


Durant cet étirement, si l'on raisonne thermodynamiquement, il est possible d'observer une diminution de l'entropie (c’est le « degré de désorganisation » d’un système moléculaire). Lorsque le morceau de caoutchouc n'est pas tiré, il existe des mouvements aléatoires entre les cross-link. Puisque aucune direction n'est privilégiée, il en résulte une entropie maximale (les molécules sont donc très désorganisées). Puis si on étire ce morceau, le redressement des molécules impose la diminution de l'entropie (plus on étire le ballon, plus les molécules sont « rangées ») : l'énergie libérée diminue alors et l'énergie dans le matériau est celle qui tend à ramener les molécules dans leurs configuration initiale, soit à minimiser la distance entre les cross-link. En d’autres termes, plus on étire le ballon, plus il tend à vouloir reprendre sa forme initiale.

Applications : dans la vie de tous les jours

C’est pour cela que, plus on gonfle un ballon, plus on a du mal à le gonfler. il va opposer une résistance de plus en plus forte, à mesure qu’il va grossir.

Mais si on le gonfle trop, celui-ci explose. La pression exercée par l’air, à l’intérieur du ballon, étant trop forte, les liaisons se rompent et il finit par se déchirer.

Éléments pédagogiques

Objectifs pédagogiques

•     Comprendre le principe d’action-réaction

•     Introduction au principe d’entropie

•     Comprendre la pression de l’air

Pistes pour animer l'expérience

Cette animation peut être intéressante si on la présente comme un concours d’idées. On peut demander aux participants de quelle manière on pourrait faire rouler une voiture avec de l’air.

Il y a principalement deux réponses à cette question. Soit prendre le principe des chars à voile, en installant une voile sur la voiture et en la faisant avancer grâce au vent (on peut le faire en extérieur si le temps et le vent le permettent, ou créer du vent artificiel grâce à un ventilateur), ou cette solution, moins naturelle mais ne demandant aucun matériel supplémentaire.

De plus, la construction de la voiture « boîte d’allumette » peut aussi être un défi, en présentant aux participants les différents matériaux et en leur demandant de construire une voiture à quatre roues grâce à cela.


Sources et ressources

Principe de l’entropie pour aller plus loin

Principe de l’action-réaction

Différentes façons d’utiliser l’air pour propulser ici.

Deux courtes expériences pour mieux comprendre le principe d’action-réaction

Dernière modification 24/05/2020 par user:Occitan.

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