Comment fabriquer une voiture et comment la propulser à l’aide d’un simple ballon de baudruche ?
Difficulté
Technique
Durée
45 minute(s)
Disciplines scientifiques
Mécanique, Physique
Sommaire
- 1 Étape 1 - Prépartaion du materiel et de l'environment
- 2 Étape 2 - Préparer les roues
- 3 Étape 3 - Utilisation des pailles
- 4 Étape 4 - Fixation des roues
- 5 Étape 5 - Encore un histoire de fixation
- 6 Étape 6 - En suite .... à non c'est pas fini !
- 7 Étape 7 - On passe au découpage
- 8 Étape 8 - Aller on y retourne !
- 9 Étape 9 - Aller cette fois c'est la dernière !
- 10 Étape 10 - On y met de l'air
- 11 Étape 11 - C'est parti on roule !
- 12 Comment ça marche ?
- 13 Éléments pédagogiques
- 14 Commentaires
- Matériel et outils
Ballon de baudruche 
Un ballon gonflable fait d'une membrane en caoutchouc qui se tend quand on souffle dedans.
Allumette 
Une allumette est une petite tige de bois (généralement du peuplier, parfois de saule), de carton ou de chiffon, destinée à créer une flamme par friction avec son extrémité enduite d'un produit chimique inflammable, après quoi elle n'est plus utilisable.
Le mot « allumette » date des environs de l'an 1200 pour désigner une petite bûche destinée à faire prendre le feu.
Bouchon plastique 
permet de fermer une bouteille hermétiquement ou de faire beaucoup d’expériences
Pic à brochette 
Grand bâtonnets pour faire des brochettes... Pratique pour les barbecues ou pour des expériences ludiques !
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.
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.
Elastique 
Un élastique est un fil, une bande ou un ruban court(e) en caoutchouc (ou dont une partie est en caoutchouc), de forme généralement circulaire.
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.
Étape 1 - Prépartaion du materiel et de l'environment
• Un ballon de baudruche
• Une boite d'allumettes
• 4 bouchons de bouteille (en liège ou en plastique)
• 4 bâtons de type pic à brochette
• Du ruban adhésif
• Trois pailles (ou tubes de stylos démontables)
• Un élastique
• Des ciseaux
Étape 2 - Préparer les roues
Percer les bouchons au centre pour en faire des roues
Étape 3 - Utilisation des pailles
Enfiler deux baguette de bois chacune dans une paille
Étape 4 - Fixation des roues
Fixer un bouchon de chaque côté des deux baguettes
Étape 5 - Encore un histoire de fixation
Fixer les pailles à une boîte d'allumettes avec du ruban adhésif
Étape 6 - En suite .... à non c'est pas fini !
A l'aide du ruban adhésif, fixer des baguettes de bois sur le dessus de la boîte d'allumettes afin que le ballon ne touche pas le sol
Étape 7 - On passe au découpage
Couper un morceau de paille de quelques centimètres de long
Étape 8 - Aller on y retourne !
Fixer l'ouverture du ballon de baudruche sur le morceau de paille grâce à un élastique
Étape 9 - Aller cette fois c'est la dernière !
Avec le ruban adhésif, fixer le corps du stylo à la boîte d'allumettes
Étape 10 - On y met de l'air
Souffler dans le morceau de paille pour gonfler le ballon puis boucher la paille avec le doigt
Étape 11 - 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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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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