Questions to the experts

C'est la dilatation du liquide de la colonne qui rend sensible le thermomètre de Galilée. Lorsque que la température augmente et que le liquide se dilate, sa masse volumique diminue et, par conséquent, la poussée d'Archimède qu'il imprime aux "boules" fait de même : les boules ont tendance à descendre. En fait, chaque boule a un volume et une masse poids qui lui permet de se trouver en équilibre "entre deux eaux" à la température indiquée sur l'étiquette qu'elle porte. A ce moment-là, la poussée d'Archimède (qui dépend du volume) est égale au poids (qui dépend de la masse).
On pourrait envisager que les boules se dilatent elles aussi lorsque la température augmente ; cela aurait alors tendance à les faire monter... En fait, elles se dilatent aussi, mais beaucoup moins que le liquide de la colonne. Dans un des modèles commerciaux courant, les boules sont en verre soufflé (et lestées par du métal), le tube est rempli d'huile minérale (syle paraffine)

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Découverte du thermomètre à alcool
Construire quelques instruments d'une station météorologique

Il me semble qu'effectivement, le mouvement des boules est seulement dû à la poussée d'Archimède. Les boules sont scellées, leur masse est constante, leur poids aussi et de même leur volume (il est raisonnable de penser qu'une variation de quelques degrés ne fait pas varier le volume de façon appréciable). En revanche, la poussée d'Archimède varie avec la température car son intensité, égale au poids du volume (constant) d'eau déplacé (ou remplacé, comme il est intéressant de dire), dépend de la masse de ce volume, qu'on appelle aussi la masse volumique (de valeur égale à la densité). Quand on chauffe une masse d'eau, celle-ci se dilate (voir la question sur la fabrication d'un thermomètre) et la masse volumique décroît. Par suite, la poussée décroît aussi, le poids de la boule l'emporte et elle tombe au fond du tube.
Les couleurs, c'est pour faire joli. L'appareil est remarquablement sensible. A chaque boule correspond une température (indiquée sur un médaillon). Le constructeur doit lester correctement une boule de façon à réaliser, le mieux possible, un équilibre entre son poids et la masse d'eau remplacée à la température qui lui correspond. Il suffit d'un faible écart de température (environ 1°C)autour de cette température pour que la boule monte ou descende.
On peut, localement, provoquer le mouvement en serrant (doucement !) le tube avec la main.

Le thermomètre de Galilée est constitué d'une grosse ampoule dans laquelle se trouve un liquide, et dans ce liquide se trouvent de petites boules de verre plus ou moins lestées (par un liquide généralement coloré et une petite étiquette indiquant une température). C'est une illustration amusante de la poussée d'Archimède : tout corps plongé dans un fluide reçoit une poussée de bas en haut égale au poids du volume de fluide déplacé.

Les boules ont un certain volume, qu'on peut considérer en première approximation comme indépendant de la température (parce qu'elles ne sont pas pleines de liquide mais contiennent aussi un gaz), et ont également une masse qui bien entendu ne dépend pas de la température. Par conséquent, leur masse volumique est elle aussi quasi-indépendante de la température, contrairement à celle du liquide dans lequel elles baignent. De plus, les différentes boules sont plus ou moins remplies de façon à ce que leurs masses volumiques correspondent à celle du liquide de l'ampoule à différentes températures : celui-ci se dilate lorsqu'on le chauffe, et sa masse volumique diminue donc lorsque la température augmente.

Dans le domaine d'utilisation du thermomètre, on a donc un liquide dans lequel se trouvent différentes boules, certaines légèrement plus denses que lui (qui tombent au fond) et d'autres légèrement moins denses (qui flottent). La température se situe entre celle indiquée par la plus basse des boules "du haut" (le thermomètre étant étroit, toutes les boules qui flottent ne peuvent atteindre la surface) et la plus haute des boules "du bas" (la dernière qui a coulé). Si on prend le thermomètre entre ses mains pour le réchauffer, on va voir la plus basse des boules du haut commencer à descendre pour rejoindre les boules du bas : le liquide de l'ampoule devenant moins dense, cette boule qui jusqu'à présent flottait ne reçoit plus une poussée d'Archimède suffisante (puisque le poids du volume de fluide déplacé a diminué) et se met à couler. La plus basse des boules du haut devient alors la suivante, qui indique une température supérieure...