questions portant sur la pression exercée par l'air dans un ballon de baudruche

4 messages / 0 récent(s)
Dernier message
Christophe B.
questions portant sur la pression exercée par l'air dans un ballon de baudruche

Bonjour,

Je vous écris car j'essaie d'utiliser des expériences portant sur la pression et je m'aperçois que je n'ai pas tout compris.

Mes questions portent sur deux expériences qui me semblent liés au niveau du raisonnement.

Je prends un ballon de baudruche que je gonfle très peu. Je fais un noeud pour que l'air ne sorte pas. Je place ce ballon dans une boîte de conservation des aliments étanche associée avec un vacuvin.

J'ai voulu représenter ce qu'il se passe dans cet état initial à l'aide d'un schéma avec quelques flèches représentant les forces pressantes. Je me suis alors demandé si les flèches représentant les forces pressantes exercées par l'air dans le ballon devaient être de la même taille que les flèches représentant les forces pressantes exercées par l'air présent dans la boîte de conservation des aliments ?

Pour ma part, j'aurais tendance à représenter les flèches de force pressante exercée par l'air présent à l'intérieur du ballon plus grandes car il y aurait une surpression à l'intérieur du ballon. Mais, dans ce cas, le ballon devrait continuer à gonfler. Ou bien, alors c'est une question d'élasticité du ballon de baudruche. Il y a bien une surpression, mais elle n'est pas suffisante pour déformer encore le ballon en augmentant son volume ? Si le ballon gonflé conserve un volume donné, c'est qu'il y a équilibre entre la pression à l'intérieur et à l'extérieur, non ? Du coup, il faudrait représenter des flèches pour les forces pressantes de même taille ? J'espère que vous comprenez les difficultés de raisonnement que je rencontre et que j'essaie de traduire ici.

Ensuite, je retire de l'air, le ballon gonfle alors dans la boîte de conservation des aliments.

En retirant de l'air, la pression "atmosphérique" à l'intérieur de la boîte diminue, ce qui permet de comprendre pourquoi le ballon gonfle. Je réduits alors la taille des flèches représentant la force pressante exercée par l'air dans la boîte. Mais, le volume du ballon augmentant, la force pressante exercée par l'air à l'intérieur du ballon diminue également. Lorsque l'on arrête de pomper et donc d'enlever de l'air, le volume du ballon reste stable. Est-ce que les forces pressantes sont de même valeur entre l'air à l'intérieur du ballon et l'air à l'extérieur ? Sinon, il devrait continuer à gonfler, non ? Il n'y a pas de surpression à l'intérieur ?

J'ai les mêmes problèmes de raisonnement avec un chariot à réaction. Je gonfle un ballon et je le fixe sur un chariot. J'aurais tendance à dire qu'il y a une surpression dans le ballon ? Elle viendrait du fait que j'ai ajouté plus de particules d'air dans le volume restreint du ballon qu'il n'y a de particules d'air dans un même volume d'air extérieur. Est-ce que ce raisonnement est bon pour expliquer la surpression qu'il y aurait dans un ballon de baudruche ? Mais, du coup, il n'y a pas équilibre des forces pressantes entre l'intérieur et l'extérieur du ballon, il devrait continuer à gonfler.

Puis, je laisse échapper l'air du ballon et le chariot s'arrête lorsque le ballon est dégonflé. Je dis alors qu'il n'y a plus de surpression et que le peu d'air qui reste dans le ballon est à la pression atmosphérique. Je dis donc que c'est la surpression dans le ballon qui permet d'expliquer le déplacement du chariot.

Merci d'avance pour votre aide sur ces points.

A première vue, la physique d'un ballon de baudruche me paraissait très simple. Mais, les apparences sont trompeuses... Comme toujours en sciences !

Bien cordialement,

Frédéric Pitout

Bonjour,

Ces histoires de forces en équilibre sont intéressantes et pas toujours intuitives.

Vous faites les bons constats :
- la pression à l'intérieur du ballon est supérieure à la pression atmosphérique (si on perce le ballon, il éclate !)
- la somme des forces en tout point de la surface du ballon doit être nulle (en d'autres termes, les forces appliquées s'équilibrent) puisque la forme du ballon gonflé ne change pas (quand on n'y touche pas et qu'il n'y a pas de fuite).

Il y a donc forcément au moins un autre force qui entre en jeu et qui vient équilibrer le tout. Cette force, vous l'avez esquissé en parlant d’élasticité, c'est la tension du ballon. Cette tension vient en tout point tirer de part et d'autre le long de la courbure du ballon. Si on en fait la somme en tout point, on obtient une résultante dirigée vers le centre du ballon et qui s'ajoute à la pression atmosphérique pour compenser exactement la pression à l'intérieur du ballon.

Je vous ai mis un schéma là : http://filez.irap.omp.eu/q42b57c3hxo3

Il montre les forces dans un plan. À gauche les forces présentes ; à droite, de manière équivalente, avec la somme des forces de tension : puisqu'il y a équilibre, la longueur de la flèche (du vecteur) verte plus celle de la bleue doit être égale à celle de la rouge.

Voilà.

Frédéric Pitout

La ligne pointillée horizontale sur la partie gauche de mon schéma pouvait semer la confusion. Voici un nouveau schéma plus explicite je pense sur la manière dont on additionne deux vecteurs :)
http://filez.irap.omp.eu/u9tifppz5pyj

Je précise aussi que ce qui s'ajoute à la pression atmosphérique et qui équilibre la pression dans le ballon, c'est la somme de tous les vecteurs de tension (qui dessinent un cône en 3D), pas seulement les deux dessinés dans le plan de coupe du schéma.

Quentin Auzoux

Bonjour,
Juste un petit complément sur l'élasticité. Avec un ballon de baudruche, ou un élastique en caoutchouc, on peut facilement percevoir avec nos sens (toucher, vue) la force qu'ils exercent lorsqu'ils sont étirés. Avec une bouteille en métal qui contient un gaz sous pression, cela se voit moins mais cela fonctionne de la même façon. L'augmentation du volume d'une bouteille de gaz lorsqu'on augmente la pression à l'intérieur est imperceptible à l'oeil, pourtant c'est bien cet "étirement" qui équilibre la différence de pression entre l'intérieur et l'extérieur de la bouteille.
Bonne journée,
Dr. Quentin Auzoux
CEA Saclay