Questions to the experts
Energie, lumière, son
Quel est le rôle de l'eau dans une fusée à eau ?
Les collègues des cycles 2 et 3 suivent 2 animations sciences obligatoires cette année. Je les anime. Mercredi dernier, un collègue a énoncé une expérience que je vous soumets :
une fusée fabriquée avec une bouteille de Coca-cola, un bouchon transpercé en son milieu par une valve et une pompe. On bouche la bouteille. Elle contient de l'air. On pompe et au bout de 30 mouvements de pompe environ, elle décolle à 2 m. Que s'est-il passé ? Je pense que la pompe injecte de l'air dans la bouteille jusqu'à ce que le contenant ne puisse plus assurer sa mission (c'est-à-dire que l'air "déborde" pour emprunter une image à l'eau versée dans un récipient). La pression de l'air fait sortir le bouchon du goulot et propulse la bouteille fusée mais faiblement car le rapport entre la masse de la bouteille et l'air est faible.
Puis, on remplit la bouteille au quart avec de l'eau. On pompe. La fusée décolle après 17 coups de pompe à près de 20 m. Je suis moins sûre de l'explication à donner à cette performance de la bouteille fusée. Elle décolle plus car l'air occupe un volume réduit en raison de la présence d'eau. Elle va plus eau mais pourquoi ? L'eau en a une part de responsabilité mais laquelle ? L'air pousse l'eau au dehors et les forces ajoutées (pression de l'air + pression de l'eau) décuplent l'effet de propulsion (peut-on parler de puissance ?). Si on met davantage d'eau, la fusée ne décolle pas car certainement trop lourde. Mes conclusions vous paraissent-elles plausibles ?
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Il me semble que toutes ces questions se ramènent à une seule : quelle est la manière la plus efficace de transformer l'énergie potentielle de l'air comprimé en énergie cinétique ? efficace veut dire "avec un rendement maximum" ou aussi "sans engendrer d'autres formes d'énergie (chaleur par frottement ou autre)".
J'élimine, en tournant les choses de cette façon, l'hypothèse d'un bouchon qui résisterait mieux à la pression de l'eau qu'à celle de l'air, permettant ainsi d'emmagasiner plus d'énergie potentielle. Le nombre de coups de pompes, d'ailleurs, indiquerait plutôt le contraire (17 plus petit que 30*3/4).
Les tuyères sont des machines que les hydro ou aérodynamiciens connaissent mieux que moi. Elles ont une grande importance dans les moteurs de fusées et dans les réacteurs des jets. Certains bateaux sont équipés de pompes et tuyères plutôt que d'hélices. Je crois savoir que les formes idéales des tuyères dépendent du fluide dont elles sont chargé d'augmenter la vitesse. La forme du goulot de la bouteille de coca serait-elle idéale pour l'eau et mauvaise pour l'air ?
En tous cas il ne fait pas de doute qu'un litre d'air comprimé à la pression P contient plus d'énergie (1/3 en plus) que 3/4 de litre à la même pression; que par contre 1/4 de litre d'eau liquide (quasiment incompressible) ne contient pas plus ou moins d'énergie (toutes choses égales par ailleurs) à la pression P qu'à la pression atmosphérique ou à la pression 10 fois P. Si mes hypothèses sont correctes, la quantité d'eau optimale dépend de la pression à laquelle le bouchon saute. Si cette pression est de l'ordre de 1/3 de bar (soit 330 grammes sur les manomètres des stations services), alors la quantité d'eau optimale est de 1/4 de litre: en mettant plus d'eau, on mettrait moins d'air (merci la Palice) sans changer la pression, donc moins d'énergie, et il resterait de l'eau dans la bouteille (un poids mort) quand l'air se serait entièrement "dégonflé".
Ces expériences sont-elles reproductibles ? Si oui, peut-on étudier ce qui se passe en serrant plus le bouchon, ou en le collant, de façon à pouvoir gonfler plus avant qu'il ne saute ?
Il faudra que j'essaye !!!