Matérialisation de l'air - test de la bouteille évidée plongée dans de l'eau

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Sophie V.
Matérialisation de l'air - test de la bouteille évidée plongée dans de l'eau

Bonjour,

J'ai découvert en écoutant l'interview de P. Léna par P. Meirieux (site CNED crpe) que nous pouvions effectivement poser des questions à de vrais scientifiques par le biais de votre site.
Je suis donc très émue de vous transmettre la question pertinente d'un élève de CM1 suite à une petite expérience classique.

Voilà:
l'expérience consiste à enfoncer une bouteille plastique dont on a coupé le fond et vissé le bouchon, au-dessus d'une balle en polystyrène, dans un récipient rempli d'eau; après relevé des propositions des élèves, on réalise l'opération, et les élèves constatent que la balle est allée au fond avec la bouteille, mais qu'il n'y a pas d'eau dans la bouteille; ensuite, sur propositions des élèves, on dévisse et retire le bouchon, et l'air s'échappant (hypothèse qui sera émise par les élèves), la balle remonte en même temps que de l'eau dans la bouteille.

Un élève, qui comprend bien qu'il y a de l'air dans la bouteille vide, et qu'il s'échappe en partie (se dilate, est-ce le terme exact?) lorsque l'on retire le bouchon, demande pourquoi l'eau rentre dans la bouteille alors que la bouteille est plaquée au fond.
J'ai répondu un peu hâtivement qu'il devait s'agir d'une question de différence de pressions, l'eau exerçant une pression sur la bouteille et parvenant à rentrer dans la bouteille, en faisant référence à la force de l'eau telle qu'on peut la constater lors de catastrophes naturelles.
Mais je voudrais bien la réponse scientifique exacte.
Sans doute la bouteille plaquée au fond laisse-t-elle tout de même de petits interstices permettant à l'eau de s'infiltrer par la moindre brèche?

Pourriez-vous s'il vous plaît expliquer scientifiquement à cet élève ce qui se passe?

Je peux vous assurer que de recevoir la réponse d'un expert, et savoir que les experts sont "accessibles" ravira les élèves.

Bien respectueusement,

SVC

Francis Nouyrigat

La balle n'étant pas dans l'eau son poids la fait descendre au fond car aucune force ne s'oppose à ce poids. L'intérieur de la bouteille ne se remplit pas d'eau car l'air qu'elle contient occupe déjà le volume et ne peut s'échapper. La balle n'est donc pas entourée d'eau mais d'air. Le poids de la balle l'attire vers le bas car la seule force qui s'y oppose est le poids du volume d'air remplacé par la boule qui est évidemment très faible.(dans un premier temps il faut se limiter à cela voire éviter de parler de cette petite force pour ne pas avoir à aborder la poussée d'Archimède de suite)
Lorsque on ouvre le bouchon rien ne s'oppose à ce que l'eau atteigne le même niveau dans la bouteille que dans le reste du récipient puisque l'air peut s'échapper de la bouteille. La balle est alors entourée d'eau qui cherche à occuper sa place, cela produit une pression autour de la boule qui produit une force dirigée vers le haut qui s'oppose à la force que constitue le poids de la balle. Cette force, appelée poussée d'Archimède, est égale au poids qu'aurait le volume d'eau qui occuperait le volume de la balle. Elle est bien plus grande que le poids de la balle car la densité de la balle est bien plus faible que celle de l'eau. Bien entendu il faut auparavant s'assurer que la notion de densité est bien assimilée. Idem pour la notion de force

Francis Nouyrigat

Alain Chomat

L'expérience que vous décrivez peut conduire à une explication très simple : l'air emprisonné dans la bouteille empêche l'eau de rentrer. Autrement dit, la bouteille est déjà pleine! Quand on enlève le bouchon, l'air peut sortir et l'eau peut rentrer. En faisant référence à la notion de pression vous êtes dans le vrai mais c'est une notion bien abstraite pour des élèves de CM1. Au mieux on pourrait dire que quand on enfonce la bouteille verticalement vers le bas dans la cuve à eau, l'air (qui ne peut sortir)pousse l'eau vers le bas. Quand on laisse l'air sortir, il n'y a plus de poussée de l'air et l'eau peut entrer dans la bouteille (jusqu'au même niveau qu'à l'extérieur de la bouteille.

A.C

Jérôme GRUGIER
Portrait de Jérôme GRUGIER

Bonjour

.. et pour compléter, en effet si le fond de la bouteille était parfaitement hermétique au fond du récipient, j'eau ne pourrait pas passer. Il se peut par contre que la pression exercée par l'eau déforme la bouteille si elle est en plastique!

Élisabeth Massot

Bonsoir,

Vous avez parfaitement raison de dire que l'eau rentre par les petits trous au fond de la bouteille. Il ne lui en faut pas beaucoup, et vous n'avez sûrement pas coupé la bouteille avec exactement le même profil que le fond du récipent !

En revanche, l'air ne se dilate pas beaucoup dans cette expérience. Pour le dilater, il faut soit le chauffer (c'est ce qu'on utilise dans les montgolfières) soit diminuer la pression autour de lui. Dans votre expérience, si la bouteille est à 10 cm de profondeur, la pression varie de 1/100e environ donc la dilatation est de 1/100e environ, qui ne joue pas ici. C'est plutôt une histoire de poussée d'Archimède, comme expliqué par Francis Nouyrigat. Mais vous pouvez vous contenter pour la plupart des élèves de l'explication d'Alain Chomat.

Pour aider les élèves à voir ce qu'il se passe, vous pourriez recommencer l'expérience en utilisant un seau assez profond pour que la bouteille soit complètement immergée. Dans ce cas, les élèves se rendront peut-être mieux compte que la bouteille est toujours pleine d'air. Et lorsque vous l'ouvrirez, ils verront les bulles d'air qui remontent et l'eau qui prend peu à peu la place.

Et même, pourquoi pas, utiliser une balle assez étroite pour passer dans le goulot ! Lorsque la dernière bulle d'air partira, la balle partira avec : une fois dans l'eau, elle fera ce qu'elle aurait fait si vous l'aviez mise directement au fond de l'eau : elle remontera.

Élisabeth Massot

Bonjour,

Pour compléter encore, je voudrais faire une remarque sur votre idée d'air qui se dilate. L'air se dilate si on change sa température (par exemple dans le cas des montgolfières) ou la pression. Dans votre cas, si la bouteille est enfoncée de 10 cm, la pression varie de 1/100e environ et la dilatation sera de 1/100e environ. Ce facteur ne joue donc pas tellement ici. il s'agit plutôt de la poussée d'Archimède (qui est encore une histoire de pression en effet) mais ce n'est peut-être pas la peine de rentrer dans le détail à l'école primaire (encore que... dès l'année prochaine vous pourrez parler de densité à partir du CM1).

Pour compléter vote expérience, pourquoi ne pas prendre comme récipient un seau suffisamment profond pour que la bouteille soit entièrement immergée ? Ainsi quand vous ouvrez le bouchon, l'air s'échappe en grosses bulles bien visibles pour les élèves. On voit bien que l'air remonte, laissant peu à peu la place à l'eau qui remplit la bouteille par le bas. Vous pourriez même utiliser une balle en polystyrène suffisamment menue pour qu'elle passe par le goulot de la bouteille : elle finira par sortir avec la dernière bulle d'air et remontera en haut du seau comme elle l'aurait fait si vous l'aviez placée directement au fond de l'eau.

Jean-Claude C.

Tout a été dit. Je n'aurai qu'une suggestion à faire pour préciser la question de l'entrée de l'eau par des "trous": placer une "feuille" de pâte à modeler au fond du récipient contenant l'eau et y enfoncer le fond découpé de la bouteille pour obtenir une étanchéité.
JC Chottard

Jean-Claude Chottard,
professeur émérite de chimie,
Université de Paris ( Paris Descartes)
jean-claude.chottard@parisdescartes.fr/ jcchottard@wanadoo.fr

Mathieu HIRTZIG

Réponse de Sophie :

 

Bonjour

Je voulais remercier les experts qui ont répondu à une question que je leur ai transmise (matérialisation de l'air -test de la bouteille évidée).
Je ne sais pas où la saisir mais je tenais sincèrement à les remercier.
J'ai Hâte de transmettre ces réponses aux élèves.
Super l'idée de la bouteille complètement immergée (testée).

Un grand merci.

Bonne journée

Svc

 

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Dr Mathieu HIRTZIG
Webmestre - Médiateur Scientifique
Fondation La Main à la Pâte