Voiture propulsée par un ballon : Différence entre versions

Version actuelle datée du 24 mai 2020 à 23:21

Comment fabriquer une petite voiture et la propulser à l’aide d’un simple ballon de baudruche ?

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

Difficulté

Technique

Durée

45 minute(s)

Disciplines scientifiques

Mécanique, Physique

Comment fabriquer une petite voiture et la propulser à l’aide d’un simple ballon de baudruche ?

Difficulté

Technique

Durée

45 minute(s)

Disciplines scientifiques

Mécanique, Physique

Licence : Attribution (CC-BY)

mouvement, transport, objet roulant

Video d'introduction

Mp4

VID 20200325 232642.mp4

Matériel et outils
Fichiers

Voiture_propuls_e_par_un_ballon_Wikidebrouillard-Voiture_propuls_e_par_un_ballon.pdf

Étape 1 - Réunir le 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 - Préparer l'expérience

Découpe un petit morceau de carton en rectangle.
Trace des lignes bien parallèles aux bords du carton et découpe les pailles de façon à ce qu'elles soient légèrement 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.
Fixe les pailles bien droites sur le carton avec du ruban adhésif, le long des lignes tracées

Il faut que les roues tournent facilement si on tient délicatement la paille.

Coupe un morceau de paille (si possible de gros diamètre) puis rentre-le dans le ballon. Mets le petit bout de paille 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 !

Étape 3 - Réaliser la manipulation

Colle le ballon sur la voiture au niveau de la paille.

Souffle dans le morceau de paille pour gonfler le ballon puis pince la paille avec les doigts pour empêcher l'air de sortir.

Voilà, ta voiture est prête ! 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 ?

Les roues frottent sur la voiture
Le ballon est mal fixé
Le ballon fuit car il est mal scotché autour de la paille

Explications

En gonflant le ballon, on va le remplir d'air et emprisonner l'air dans le ballon. Comme le ballon ne laisse pas échapper l'air, il va rester à l'intérieur et remplir tout l'espace dans le 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 relâche le bout du ballon, l’air sort par là où il peut sortir : par la paille. Pourtant, la voiture n'avance pas du ballon vers la paille, mais 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 réponse à sa déformation (ici c’est une dilatation dont l'allongement relatif sera fonction du module de 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 : σ = E x ε

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 de Young
Avec ε l'allongement relatif

La tension que l'on trouve dans de nombreux élastiques impose cette force de restitution, force qui tend à ramener le matériau dans sa configuration non étirée. La surface du ballon subit une forte tension lorsque celui-ci est gonflé. Il va chercher à expulser l'air pour revenir à sa position initiale: tant que nous bloquons l'air celui-ci reste tendu, mais au moment où nous lâchons le ballon, alors l'air sort très rapidement par la paille pour expulser la voiture.

Applications : dans la vie de tous les jours

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.

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Aéroglisseur

Bateau à propulsion

Voiture à réaction à eau pressurisée: https://www.wikidebrouillard.org/w/index.php?title=Voiture_%C3%A0_r%C3%A9action&oldid=7405

Tourniquet hydraulique: http://phymain.unisciel.fr/un-tourniquet-hydraulique/

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’action-réaction

L’air pour propulser

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

Loi de Hook sur Futura-sciences

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

Commentaires

Published

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@@ Ligne 29 : / Ligne 33 : @@
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 {{Tuto Step
-|Step_Title=Prépartaion du materiel et de l'environment
+|Step_Title=Réunir le matériel
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+•     Un ballon de baudruche
+•     4 bouchons de bouteille en plastique et une vrille pour fabriquer les roues
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+•     2  pics à brochette
 •     Du ruban adhésif
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 •     Trois pailles (ou tubes de stylos démontables)
-•     Vrille
+•     Un crayon, une règle et des ciseaux pour tracer sur le carton et découper
-•     Un crayon
-•     Une règle
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 {{Tuto Step
-|Step_Title=Découpage
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+|Step_Content=*Découpe un petit morceau de carton en rectangle.
+*Trace des lignes bien parallèles aux bords du carton et découpe les pailles de façon à ce qu'elles soient légèrement 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.
+*Fixe les pailles bien droites sur le carton avec du ruban adhésif, le long des lignes tracées
+{{Info|Il faut que les roues tournent facilement si on tient délicatement la paille.}}<br />
+*Coupe un morceau de paille (si possible de gros diamètre) puis rentre-le dans le ballon. Mets le petit bout de paille 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 !
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 {{Tuto Step
-|Step_Title=Préparation des roues
+|Step_Title=Réaliser la manipulation
-|Step_Content=Percer les bouchons au centre pour en faire des roues
+|Step_Content=* Colle le ballon sur la voiture au niveau de la paille.
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-|Step_Picture_01=Voiture_propuls_e_par_un_ballon__tape_3.jpg
-}}
-{{Tuto Step
-|Step_Title=Utilisation des pailles
-|Step_Content=Enfiler les deux baguettes de bois chacune dans une paille
-}}
-{{Tuto Step
-|Step_Title=Montage des roues
-|Step_Content=Fixer 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
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-{{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
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-}}
-{{Tuto Step
-|Step_Title=Ensuite ....et non, ce n'est pas fini !
-|Step_Content=Couper un morceau de paille (si possible de gros diamètre), le renter dans le ballon.
-Scotcher le ballon bien serrer autour de la paille pour qu'il n'y ait pas de fuite mais sans écraser la paille.
+* Souffle dans le morceau de paille pour gonfler le ballon puis pince la paille avec les doigts pour empêcher l'air de sortir.
-<br />
+Voilà, ta voiture est prête ! Pose la voiture sur une table ou par terre et laisse l'air s'échapper du ballon.
-|Step_Picture_00=Voiture_propuls_e_par_un_ballon__tape_10.jpg
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 {{Tuto Step
-|Step_Title=On passe au montage final
+|Step_Title=Pour aller plus loin
-|Step_Content= Coller le ballon sur la voiture au niveau de la paille.
+|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.
-Voilà, c'est prêt !
-|Step_Picture_00=Voiture_propuls_e_par_un_ballon__tape_12-2.jpg
-}}
-{{Tuto Step
-|Step_Title=On y met de l'air
-|Step_Content= Souffler dans le morceau de paille pour gonfler le ballon puis pincer la paille avec le doigt
-|Step_Picture_00=Voiture_propuls_e_par_un_ballon_IMG_20200325_151257.jpg
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-{{Tuto Step
-|Step_Title=C'est parti on roule !
-|Step_Content= Poser la « voiture » sur une table et laisser l'air s'échapper du ballon
-Oups ! sur le sol ça ira plus loin....
 }}
 {{Notes
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 <br />
-|Avertissement=Si les roues frottent sur la voiture, si le ballon est mal fixé ou si le ballon fuit.
+|Avertissement=* Les roues frottent sur la voiture
-|Explanations=L’[http://www.wikidebrouillard.org/index.php/Air air] expulsé est responsable du mouvement de la voiture.
+* Le ballon est mal fixé
+* Le ballon fuit car il est mal scotché autour de la paille
+|Explanations=En gonflant le ballon, on va le remplir d'air et emprisonner l'air dans le ballon. Comme le ballon ne laisse pas échapper l'air, il va rester à l'intérieur et remplir tout l'espace dans le 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'on relâche le bout du ballon, l’air sort par là où il peut sortir : par la paille. Pourtant, la voiture n'avance pas du ballon vers la paille, mais 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 réponse à sa déformation (ici c’est une dilatation dont l'allongement relatif sera fonction du module de 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 : σ = E x ε
-Lorsque l’ouverture du ballon est libérée, l’air contenu dans celui-ci s’échappe, propulsant ainsi la voiture.
+*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 de Young
+*Avec ε l'allongement relatif
-C'est le principe d'action-réaction.
+La tension que l'on trouve dans de nombreux élastiques impose cette force de restitution, force qui tend à ramener le matériau dans sa configuration non étirée. La surface du ballon subit une forte tension lorsque celui-ci est gonflé. Il va chercher à expulser l'air pour revenir à sa position initiale: tant que nous bloquons l'air celui-ci reste tendu, mais au moment où nous lâchons le ballon, alors l'air sort très rapidement par la paille pour expulser la voiture.
-|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 :
+|Applications=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.
-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 [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.
-|Applications=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.
-|Related=•   [http://www.wikidebrouillard.org/index.php/Un_ballon_à_réaction Un ballon à réaction]
+|Related=[[Aéroglisseur]]
-•    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]
+[[Bateau à propulsion à eau|Bateau à propulsion]]
-•     Différentes façons d’utiliser l’air pour propulser [http://www4.ac-nancy-metz.fr/ia57science/spip.php?article64 ici].
+Voiture à réaction à eau pressurisée:  https://www.wikidebrouillard.org/w/index.php?title=Voiture_%C3%A0_r%C3%A9action&oldid=7405
-'''Deux courtes''' [http://eduscol.education.fr/orbito/lanc/princip/princip3.htm expériences] '''pour mieux comprendre le principe d’action-réaction'''
+Tourniquet hydraulique:  http://phymain.unisciel.fr/un-tourniquet-hydraulique/
 |Objectives=•     Comprendre le principe d’action-réaction
@@ Ligne 166 : / Ligne 131 : @@
 <br />
-|Notes=Principe de l’[http://www.futura-sciences.com/sciences/definitions/physique-entropie-3895/ entropie] pour aller plus loin
+|Notes=Principe de l’[https://www.edumedia-sciences.com/fr/media/80-principe-daction-reaction action-réaction]
+[http://www4.ac-nancy-metz.fr/ia57science/spip.php?article64 L’air pour propulser]
+Deux courtes [http://eduscol.education.fr/orbito/lanc/princip/princip3.htm expériences] pour mieux comprendre le principe d’action-réaction
+[https://www.futura-sciences.com/sciences/definitions/physique-loi-hooke-2086/ Loi de Hook] sur Futura-sciences
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 {{Tuto Status
-|Complete=Draft
+|Complete=Published
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