Voiture propulsée par un ballon

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

Difficulté

Technical Technique

Durée

45 minute(s) minute(s)

Disciplines scientifiques

Mécanique, Physique

mouvement, transport, objet roulant

• Matériel et outils

Ballon de baudruche

Un ballon gonflable fait d'une membrane en caoutchouc qui se tend quand on souffle dedans.

Ballon de baudruche

Règle

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Au sens matériel, une règle est un instrument de mesure gradué à arêtes rectilignes servant à tracer des traits droits ou à mesurer des longueurs.

Règle

Bouchon plastique

permet de fermer une bouteille hermétiquement ou de faire beaucoup d’expériences

Bouchon plastique

Pic à brochette

Grand bâtonnets pour faire des brochettes... Pratique pour les barbecues ou pour des expériences ludiques !

Pic à brochette

Ruban adhésif

Un ruban adhésif ou papier collant (Belgique) est un ruban recouvert de substance adhésive. Il se présente généralement sous la forme d'un rouleau dont la face externe est non adhésive. Il est utilisé notamment pour lier des objets entre eux ou simplement pour recouvrir un objet d'un film protecteur.

Ruban adhésif

Paille

Une paille, ou chalumeau, est un tube léger, généralement fait en plastique, dont on se sert pour aspirer, et le plus souvent boire, un liquide.

Paille

Vrille

Une vrille est un outil manuel, avec en embout en spirale, permettant de faire des trous, d'un diamètre lié à la taille de l'outil, dans le bois1. C'est une sorte de mèche actionnée à la main.

Vrille

Ciseaux

Un paire de ciseaux est un outil comportant deux lames mobiles articulées qui glissent l'une sur l'autre pour trancher les matériaux minces.

Ciseaux

Crayon gris

Un crayon est un instrument de dessin et d'écriture. Il est constitué d'une petite baguette servant de gaine à une mine de la même longueur, l'extrémité de la baguette étant parfois recouverte d'une gomme à effacer. Lorsque la mine est usée, on taille le bois en maintenant la forme conique de l’extrémité, de manière à dégager une nouvelle longueur de mine, au moyen d’un canif ou d’un taille-crayon ou d'un bouton a retour sur certain type de crayon a mine rechargeable.

Crayon gris

Étape 1 - Prépartaion du materiel et de l'environment

•     Un ballon de baudruche

•     4 bouchons de bouteille en plastique

•     Du carton

•   2 pics à brochette

•     Du ruban adhésif

•     Trois pailles (ou tubes de stylos démontables)

•     Vrille

•     Un crayon

•     Une règle

•     Des ciseaux

Étape 2 - Préparation des roues

Percer les bouchons au centre pour en faire des roues

Étape 3 - Utilisation des pailles

Enfiler les deux baguettes de bois chacune dans une paille

Étape 4 - Montage des roues

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

Étape 5 - Encore un histoire de fixation

Fixer les pailles bien droites sur le carton avec du ruban adhésif, le long des lignes tracées

Étape 6 - Ensuite ....et non, ce n'est pas fini !

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.

Étape 7 - On passe au montage final

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

Voilà, c'est prêt !

Étape 8 - On passe au montage final

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

Voilà, c'est prêt !

Étape 9 - On y met de l'air

 Souffler dans le morceau de paille pour gonfler le ballon puis pincer la paille avec le doigt

Étape 10 - On y met de l'air

 Souffler dans le morceau de paille pour gonfler le ballon puis pincer la paille avec le doigt

Étape 11 - Découpage

Découper un petit morceau de carton. Tracer des lignes bien parallèles aux bords du carton et découper les pailles un peu plus grandes que la largeur du carton

Étape 12 - C'est parti on roule !

 Poser la « voiture » sur le sol ou une table et laisser l'air s'échapper du ballon

Comment ça marche ?

Observations : que voit-on ?

Lorsque le ballon se dégonfle, la voiture avance.

Explications

L’air expulsé est responsable du mouvement de la voiture.

La voiture avance donc dans le sens inverse de l’expulsion de l’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.

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.

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Autres expériences

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

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

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

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