Bouteilles retournées
Observez la montée et la descente de fluides chauds et froids.
Étudiez la convection en utilisant des colorants alimentaires et de l’eau à différentes températures.
Sous-thème
- Quatre bouteilles en verre identiques avec un large goulot
- Deux fiches
- Colorant alimentaire, deux couleurs
- Eau chaude et froide
- Deux assiettes ou plateaux en plastique (pour retenir l’eau déversée)
- Ciseaux
- Un partenaire (facultatif)
Remplissez complètement deux bouteilles avec de l’eau chaude. Continuez de remplir jusqu’à la formation d’un ménisque (un renflement vers le haut) sur la surface de l’eau.
Remplissez complètement deux bouteilles avec de l’eau froide. Continuez de remplir jusqu’à la formation d’un ménisque (un renflement vers le haut) sur la surface de l’eau.
Ajoutez du colorant alimentaire dans les bouteilles. Utilisez une couleur pour les deux bouteilles contenant de l’eau chaude et une autre couleur pour les deux bouteilles contenant de l’eau froide. (Sur la photo ci-dessous, nous avons utilisé du jaune pour les bouteilles contenant de l’eau chaude et du bleu pour l’eau froide.) Observez le mélange des gouttes de colorant alimentaire dans l’eau.
Mettez les deux plateaux en plastique sur une table. Mettez une des bouteilles d’eau froide sur un plateau et une des bouteilles d’eau chaude sur l’autre plateau.
Découpez un morceau d’une fiche de façon qu’il soit légèrement plus grand que l’ouverture de la bouteille et placez ensuite la carte sur le goulot de la seconde bouteille d’eau chaude. Tapotez doucement la fiche. Cela vous aidera à vous assurer que la fiche est en contact avec tout le rebord de la bouteille.
Renversez la bouteille délicatement et lentement sans toucher le papier et placez-la directement sur la bouteille d’eau froide sur le plateau. Alignez les goulots des bouteilles, mais laissez la fiche en place.
Répétez les étapes 5 et 6 en mettant un morceau de fiche sur la bouteille d’eau froide restante qui est renversée et posée au-dessus de la bouteille d’eau chaude sur le plateau. Quand vous avez terminé, vous devriez avoir deux expériences installées : Une bouteille d’eau chaude sur une bouteille d’eau froide et une bouteille d’eau froide sur une bouteille d’eau chaude, avec une fiche séparant chacune d’entre elles.
Essayez de faire l’étape suivante en même temps pour les deux installations de bouteilles : Retirez doucement la fiche placée entre chaque installation de bouteilles sans renverser l’eau. (Vous aurez peut-être besoin d’aide pour cela.) Observez ce qui se passe avec le fluide dans chacune des installations de bouteilles.
Quand vous avez enlevé les fiches d’une installation de bouteilles, l’eau chaude est restée en haut et l’eau froide est restée au fond, les couleurs étant pratiquement identiques. Cependant, dans l’autre installation, il s’est passé quelque chose de très différent. L’eau chaude est montée et l’eau froide est descendue. Quand ce mouvement s’est produit, les couleurs se sont mélangées. Cela s’est passé en raison des différences de densité qui est définie par la quantité de matière dans un volume donné.
Tout est composé de molécules. Les molécules chaudes bougent plus que les molécules froides et les objets qui sont chauds occupent plus d’espace que les mêmes objets quand ils sont froids. Cela signifie qu’il faut moins de molécules d’eau chaude que de molécules d’eau froide pour remplir une bouteille. L’eau chaude est donc moins dense que l’eau froide.
La gravité peut séparer les fluides en fonction de leur densité. Puisque l’eau froide a plus de masse par unité de volume que l’eau chaude, la force de gravité exercée sur une quantité donnée d’eau froide est plus grande que celle exercée sur la même quantité d’eau chaude. Cela contraint l’eau froide à descendre et provoque la poussée vers le haut ou l’élévation de l’eau chaude. Ce mouvement des fluides est appelé convection. Dans l’installation dans laquelle l’eau chaude était au-dessus de l’eau froide, l’eau froide était déjà au fond, de sorte qu’il n’y a pas eu de convection.
Êtes-vous déjà monté sur un escabeau ou une échelle pour changer une ampoule ? Si c’est le cas, vous avez peut-être remarqué que l’air est plus chaud en haut de la pièce. Cela est dû à la convection.
La prochaine fois que vous allez nager dans une piscine, essayez de sentir la différence de température entre l’eau à la surface et l’eau à une plus grande profondeur. À nouveau, la convection peut avoir séparé les fluides en fonction de leur densité et l’eau sera plus fraîche en bas.
Comparez deux bols de soupe chaude. Mettez-en un de côté et soufflez sur la surface de l’autre. Comparez-les et vous découvrirez que le bol sur lequel vous avez soufflé refroidira plus vite que celui que vous avez mis de côté. Quand vous soufflez sur une soupe chaude, vous contribuez à diriger le processus de convection. La surface supérieure refroidit et descend ; la soupe chaude qui se trouve en dessous monte et refroidit aussi.
La convection influence le mouvement des fluides à petite échelle, comme dans ce Snack, mais elle influence le mouvement des fluides aussi à de très grandes échelles. Par conséquent, cette expérience peut aussi être utilisée pour enseigner les phénomènes des sciences de la Terre et de l’espace. La convection joue un rôle important dans le cycle météorologique. Elle est à l’origine des courants océaniques ainsi que du mouvement des roches semi-solides à l’intérieur de la Terre. La convection déplace même de la matière dans les étoiles.
