Questions to the experts

C'est une chance que vous ayez trouvé le même poids pour le ballon plein et le ballon vide, car c'est justement là que se trouve l'intérêt de cette manip : le fait que le poids soit le même prouve simplement que la poussée d'Archimède que ressent le ballon plein compense exactement le poids de l'air contenu dans le ballon. Pour mesurer le poids de l'air, il faut prendre un ballon en verre qu'on peut fermer hermétiquement, le peser quand il est plein d'air puis faire le vide avec une pompe et le repeser.

Bonjour,
Si,avec le ballon utilisé chez vous, une différence de 1 g avait été constatée, il fallait utiliser le même ballon en classe. Mais cela est assez étonnant car, en principe, un ballon gonflé, donc "plongé" dans l'air subi de la par de l'air une poussée dite poussée d'Archimède (comme pour le cas de l'eau). Auquel cas le ballon gonflé est soutenu par l'air extérieur et cela a du, dans votre cas, compenser la masse de l'air ajouté à l'intérieur du ballon. Vous pouvez peut-être laisser les élèves"jouer" avec un ballon gonflé,ils constateront que leur ballon semble "presque" flotter dans l'air. Mais ça ne règle pas votre objectif qui est de monter que l'air a une masse. Pour cela il est préférable de prendre un ballon de sport,qui occupe déjà une place une place dans l'air, le peser puis le gonfler le plus possible et le peser à nouveau. Il n'aura pas changer de volume mais de masse. Quant à l'électricité statique (phénomènes d'attraction ou de répulsion) c'est sans rapport avec les pesées.

Bonjour. Pour cette expérience il vous faut un ballon dont le volume soit le même vide pu gonflé type ballon de foot ou autre. La balance mesure le poids du ballon ainsi que la colonne d'air au dessus d'elle.
Su a vide le ballon est tout plat alors vous risquez effectivement de mesurer le meme poids.

Est ce que cela peut expliquer votre resultat ?

Quel ballon avez-vous utilisé lors de la préparation : était-il déformable ? Si le ballon est déformable, son volume s'ajuste sous l'effet de la pression extérieure pour aboutir au résultat que vous avez observé en classe !

Bonjour,

L'air a une masse certes, dans le ballon mais aussi AUTOUR du ballon ! Autrement dit, quand on pèse un ballon rempli d'air et qu'on fait l'expérience dans de l'air (je suppose que vous ne l'avez pas faite sous vide), on fait en réalité une expérience de poussée d'Archimède ; c'est cette même poussée d'Archimède qui permet aux montgolfières de "voler" (en fait, flotter serait plus juste) en ayant une masse volumique moyenne égale (en vol stationnaire) à celle de l'air ambiant, donc en emportant un gros volume d'air chaud de masse volumique inférieure à celle de l'air ambiant.

Cette expérience est donc sensible, non à la masse volumique de l'air, mais à la DIFFERENCE de masses volumiques entre l'air emprisonné dans le ballon et l'air de la pièce. Dans un ballon de baudruche, malgré l'augmentation spectaculaire de volume l'augmentation de pression interne
est faible (je ne sais pas combien exactement, mais ça m'étonnerait que des poumons puissent gonfler un pneu de vélo, donc ce doit être une fraction d'atmosphère). La différence de masse volumique avec l'air extérieur est donc faible ; or si elle est nulle, la masse "apparente" de l'air du ballon sera exactement zéro, quel que soit le volume de celui-ci.

Pour que votre expérience fonctionne, il faut utiliser une enveloppe qui résiste à des pressions assez élevées. Et bien sûr s'assurer que la méthode de mesure de la masse est suffisamment sensible pour mettre en évidence une différence de masse très faible : l'air à pression et température ambiantes a une masse volumique de 1,2 g par litre environ.

D'autres artefacts peuvent bien entendu intervenir, mais il faut d'abord bien comprendre les limites du problème !

Il serait intéressant également de connaître les différences entre vos deux expériences, à la maison et en classe.

F. Roby

Bonjour,
Avez-vous utilisé la même balance chez vous et en classe ? Quelle était la précision de la balance ?
Quelle était le poids total du ballon avant et après quand vous faisiez l'expérience chez vous ?
Le ballon pesait 0g qu'il soit gonflé ou non ?

Bonjour
Le ballon de baudruche est en cause effectivement. La différence de masse entre ballon gonflé et dégonflé est très faible car le ballon est soumis à trois forces : son poids, qui doit normalement permettre de mesurer la masse sur la balance, la poussée d’Archimède et la réaction du support, qui vient du fait que le ballon est posé sur le plateau de la balance.
Comme le ballon est parfaitement symétrique, on peut supposer que la poussée d'Archimède qui appuie de manière égale sur chaque cm² de ballon s'annule au total. Or l'air n'est pas un milieu très homogène, et un léger changement de pression, de température, peut influer sur cette force et faire pencher la balance d'un côté ou de l'autre...
Il vaut mieux utiliser un ballon dont le volume n'est pas modifié lors du gonflage (ballon de foot par exemple).

En fait, c'est l'expérience devant les élèves qui est conforme avec un ballon de baudruche !
La masse de l'air que vous ajoutez pour gonfler le ballon provoque bien une augmentation de la force sur le plateau de la balance (le poids) mais dans le même temps, apparait une force vers le haut (poussée d'Archimède) exercée par l'air tout autour qui compense exactement cette augmentation : résultat 0 sur la balance.
La solution est de remplacer le ballon de baudruche par un ballon de foot à gonfler ou une bouteille à boisson gazeuse surmontée d'une valve. Dans ce cas, le récipient ne change pas de forme et la différence de masse est notable (plusieurs grammes).
http://www.lamap22.net/Caractere-pesant-de-l-air-cycle-3.html

Bonjour,

Juste une petite observation de didacticien : il est bon dans ce type d'expérience de ne parler que de mesure de "masse" et non de "poids". En effet, même si la balance électronique mesure effectivement une force (le poids), elle donne le résultat en "quantité de matière", soit en grammes (une masse) étant donné la calibration "terrienenne" de celle-ci (sur la Lune il faudrait la recalibrer). Ceci peut éviter de renforcer les confusions poids/masse que l'on observe généralement chez les étudiants.
[Quand à la réponse à votre question, elle a été donné par plusieurs ;)]

Michaël

Bonjour,

Ballon déformable ou non, variation de la poussée d'Archimède au cours de l'expérience ou non, précision de la balance, air en surpression dans le ballon de foot... Rien de tout cela n'est explicité et cette expérience continue de tourner avec le succès qu'on lui connait.

Marie-Thérèse Lehoucq

Plusieurs collègues ont clairement expliqué le phénomène observé. Je me centrerai donc sur le souhait d'explication aux élèves. Je ne connais pas leur niveau. Je pense que pour beaucoup d'entre eux la "poussée d'Archimède" est familière, sinon comprise, pour un corps flottant. Je pense aussi qu'ils n'ont probablement pas réalisé qu'elle s'applique à tout fluide, liquide ou gazeux, que le corps soit plongé en tout ou partie dans le fluide. Je ferais donc le parallèle. Je suggère que la poussée d'Archimède soit revue avec une petite bouteille d'eau, plus ou moins remplie, flottant sur de l'eau. Je passerais ensuite au ballon de baudruche gonflé d'air qui est l'objet de la question. Je terminerais sur l'explication faisant intervenir les masses volumiques de l'objet et du fluide (selon le niveau des élèves) et je présenterais pour finir les montgolfières (gaz chaud de combustion) et les dirigeables (gaz moins dense que l'air : hydrogène !, hélium).

Je n'ai vu la question que ce soir et les réponses ont été données. C'est effectivement la poussée d'Archimède! Encore faut il expliquer pourquoi elle existe:le plus simple est d'indiquer que le poids de l'air dans le ballon est égal au poids de l'air qui occupait le même volume avant de placer le ballon sur la balance, il n'y a donc aucune différence de poids