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Énergie

Consultants

Document "La main à la pâte"  
David Jasmin map@inrp.fr  
INRP 29 rue d'Ulm, 75005 Paris Paris
Publication : septembre 1998 Mise en ligne : septembre 1998

Sommaire:

28/03/1999 Pourquoi les ailettes d'un radiomètre changent-elles de sens lorsqu'on le refroidit ?
20/01/2000 Comment produire de l'électricité avec la vapeur d'une cocotte minute ?
09/03/2000 Qu'est-ce que le feu ?
09/05/2000 Les fusées à air comprimé
10/05/2000 La pompe à eau

Pourquoi les ailettes d'un radiomètre changent-elles de sens lorsqu'on le refroidit ?

28/03/1999 Question de Marcel Martin, enseignant au Canada,  mmartin5@yahoo.com
Nous avons un "radiomètre" à la maison et lorsque nous l'exposons aux rayons du soleil, il tourne dans le sens des aiguilles d'une montre. Lorsque que nous versons de l'eau très froide sur le même radiomètre, il tourne dans le sens contraire. Il semble y avoir deux types de radiomètre. Le premier serait à "l'air" et un autre type serait "sous vide". Comment expliqueriez vous ce comportement?

30/03/1999 Réponse de Bernard Roulet
C'est vrai qu'il existe deux sortes de radiomètres, ceux dans lequel le vide est assez poussé, qu'on ne trouve pas dans le commerce, et ceux dans lesquels il reste pas mal de gaz dans l'ampoule. Précisons

Deux phénomènes entrent en jeu pour faire tourner un radiomètre, lorsqu'il est éclairé:

- le premier est directement lié à l'action de la lumière: les "photons" lumineux rebondissent sur les faces brillantes et sont absorbés par les faces noires. La force due au choc des photons est donc deux fois plus grande sur les faces brillantes que sur les faces noires. Si cet effet agit seul, le radiomètre tourne dans le sens où la vitesse de chaque ailette est orientée de la face brillante vers la face noire

- par ailleurs, les photons qui sont absorbés par les faces noires cèdent leur énergie aux faces noires dont la température devient plus grande que celle des faces brillantes. S'il n'y avait pas d'air a l'intérieur de l'ampoule du radiomètre, cette différence de température n'aurait aucun effet sur la rotation du radiomètre; mais en fait, il y a de l'air: les molecules d'air qui viennent au contact avec une des faces y restent un petit moment, suffisamment long pour qu'elles acquièrent une vitesse moyenne correspondant à la température de la face, vitesse d'autant plus grande que la température est élevée, et donc vitesse plus grande sur les faces noires que sur les faces brillantes. Lorsque les molecules s'éjectent de la face noire, elle le font avec une vitesse plus grande que celles qui s'éjectent de la face brillante, et elles communiquent donc une vitesse de recul plus grande aux faces noires qu'aux faces brillantes: le sens de rotation du radiomètre est donc tel que la vitesse des ailettes est orientée depuis les faces noires vers les faces brillantes.

Dans les radiomètres usuels, le deuxième effet que nous avons décrit est beaucoup plus important que le premier: le mouvement est tel que les faces brillantes se trouvent en proue et les faces noires en poupe. Pour que le premier effet prédomine, c'est a dire pour que le radiomètre tourne dans l'autre sens, il faudrait qu'il n'y ait pratiquement pas d'air dans l'ampoule (il faut qu'on ait fait "le vide" dans l'ampoule), mais ce type de radiomètre est très rare et ne se trouve pas dans le commerce.

Que se passe-t-il lorsqu'on n'éclaire pas le radiomètre mais qu'on le refroidit brutalement en y versant de l'eau très froide ou en le plaçant dans un réfrigérateur?
Les faces noires se mettent a l'équilibre thermique avec l'environnement beaucoup plus vite que les faces brillantes, dans un premier temps les faces noires sont donc à température plus basse que les faces brillantes. S'il y a de l'air dans le radiomètre, le deuxième effet que nous avons décrit tout a l'heure se produit, mais cette fois, la vitesse de recul communiquée aux ailettes par l'éjection des molécules est plus grande pour les faces brillantes que pour les faces noires. Le radiomètre tourne , vitesse orientée depuis les faces brillantes vers les faces noires. Lorsqu'on maintient la température basse pendant suffisamment longtemps, toutes les faces atteignent la même température et le radiomètre cesse de tourner (en absence d'éclairement). Si on sort alors le radiomètre du réfrigérateur et qu'on le place dans un four légèrement chauffé, ce sont les faces noires qui atteignent en premier une température plus élevée, et la rotation du radiomètre s'effectue faces brillantes en proue et faces noires en poupe, jusqu'à ce que toutes les faces soient à la même température et que le radiomètre s'arrête à nouveau."

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Comment produire de l'électricité avec la vapeur d'une cocotte minute ?
20/01/2000 Question de Michèle Ducellier, enseignante de cycle 3 à l’école Jacob en Seine Saint-Denis, mbducell@club-internet.fr
Dans le cadre d'un travail sur les énergies et particulièrement sur l'électricité, j'aurais aimé montrer comment produire de l'électricité par l'intermédiaire de la vapeur produite par une cocotte minute.
Avez vous déjà réalisé ce genre d'expérience?
Comment pourrais-je pratiquer?

24/01/2000 Réponse d’Antoine Warnier
La centrale thermo-éléctrique à base de cocotte minute est effectivement un sujet qui accroche bien: je l'ai fait avec des CM2 et des CE2.
J'ai construit (dans un deuxième temps, les élèves ont construit) une sorte de roue de moulin à eau d'environ 20 cm de diamètre en contreplaqué avec six pales planes collées sur deux flasques, le tout monte avec un axe genre aiguille à tricoter sur un support (toujours en contreplaqué) dont la semelle se glissait sous le réchaud et qui soutenait la roue au dessus du jet de vapeur.
Le fait que le jet de vapeur fasse tourner la roue permet déjà aux élèves de constater la transformation de l’énergie chaleur en énergie mécanique.
Ensuite, avec une roue dentée enfoncée sur l'aiguille à tricoter et une chaîne de transmission, nous avons essayé d’entraîner un moteur électrique, MAIS
1- Les moteurs dont nous disposions (Opitec, je crois) n’étaient pas réversibles, c'est à dire qu'ils ne pouvaient pas fonctionner en générateurs d’électricité. Nous aurions peut-être pu mettre à la place une dynamo de vélo, en l’équipant d'une roue dentée, MAIS
2- Le jet de vapeur n'était pas assez puissant pour entraîner tout cet équipage.
Retombée inattendue de cet échec, reproduit devant chaque classe: invention de la notion de puissance, comme "intensité de l’énergie", et des notions de pertes et de rendement énergétiques. Suggestions des élèves: chauffer plus fort (nos réchauds électriques ne sont pas très puissants), caréner la roue pour ne pas perdre de vapeur, huiler les axes,... mais aussi mettre des pédales, etc ...

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Qu'est-ce que le feu ? 
09/03/2000 question de René
Jeune, enseignante de cycle 2 à l’école  l'école élémentaire J.J Rousseau à Bobigny (93) airji@infonie.fr
De quoi est fait le feu ? 
Qu'est-ce qui explique l'apparition de flammes ? 
À quoi correspondent les différences de températures dans une flamme ? 
Je vous pose ces questions dans la perspective de construire un cycle de travail et de recherches avec mes élèves sur les quatre éléments. Car en complément des expérimentations des élèves, il m'apparaît utile de donner quelques représentations de la structure des corps. Pour le feu, il s'agit de faire mieux percevoir (en le percevant mieux moi-même) le lien entre matière et énergie."

10/03/2000 Réponse de Gérard Torchet 
Le feu, tel qu'on se le représente habituellement, est constitué de gaz et de poussières (des particules à base de carbone, en particulier) qui émettent de la lumière visible. Le fait que le feu dégage de l'énergie thermique (de la"chaleur") montre que le feu émet aussi de la lumière invisible "infra-rouge".
La flamme est le résultat d'une réaction chimique, de combustion, entre un élément (par exemple du bois) et de l'air (dont l'oxygène est utilisé pour la réaction). Cette réaction n'est, en général, pas spontanée et il faut apporter de l'énergie pour la provoquer (gratter une allumette ou faire tourner la molette d'un briquet pour provoquer une étincelle qui provoque la flamme).
Les différentes températures dans une flamme correspondent au caractère plus ou moins complet de la combustion. Elle est plus complète "au milieu" de la flamme d'une bougie qu'à proximité de la mèche ou qu'en haut de la flamme. On distingue ainsi des cônes (3) de couleurs différentes dans la flamme d'une bougie.
La flamme produit un courant d'air chaud qui monte, dans l'air froid, d'autant plus vite que l'on est dans l'axe de la mèche. Voilà pourquoi les flammes sont pointues... (J.-P. Maury, Le chaud et le froid, Echos Hachette, Palais de la Découverte, 1987).

14/03/2000 Réponse d'Antoine Warnier
Les températures de flammes varient, en fonction de la qualité des combustible, de 1500 à 4 000° environ. La qualité des combustibles joue sur la quantité de chaleur fournie et sur la vitesse de propagation de la flamme dans le mélange gazeux, vitesse qui s'oppose à la vitesse de déperdition de chaleur par radiation, conduction ou convection. Les vitesses les plus grandes sont atteintes avec les mélanges détonants (par ex gaz de ville et air, mais aussi poussières et air) auxquels cas on n'a guère le temps de prendre la température ! Le cas classique de flamme stable recherchée pour sa haute température est le chalumeau oxygène-acétylène, qui est, je crois, le record de température par moyen purement chimique non explosif.
Côté couleurs, le bleu et le jaune (ce dernier dû à des particules de carbone imbrûlées très chaudes) sont les plus courantes mais d'autres éléments ajoutés aux combustibles permettent d'obtenir toutes sortes de couleurs (feux d'artifices). Un jaune intense, caractéristique du sodium, peut être obtenu facilement en pulvérisant du sel fin dans une flamme, et un bleu turquoise en chauffant du cuivre ou en pulvérisant de la poudre de sulfate de cuivre des jardiniers. Mais dans ces deux cas, le cuivre et le sel ne brûlent pas; ils sont seulement chauffés "au jaune" ou au "bleu turquoise".

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Les fusées à air comprimé
09/05/2000 Question de  Philippe Cantet, école Grande Fontaine ( Ile de Réunion) pcantet@guetali.fr

 Nous avons fabriqué des fusées à air comprimé. Une bouteille de coca retournée, un peu d'eau, on comprime l'air avec une pompe à vélo. A un moment le bouchon commence à glisser et la fusée part à une quinzaine de mètres.
Nous avons fait varier les paramètres quantité air/eau. Plein d'eau le réservoir d'air est trop faible et la bouteille ne s'élève pas. A l'opposé que de l'air et la bouteille ne s'élève que d'environ sept mètres. Il semble que la poussée d'une fusée dépende de la quantité de gaz éjecté( ou de liquide) par la vitesse d'éjection. Comment calculer vitesse, accélération, énergie cinétique sachant qu'à tout instant notre masse de fusée diminue. Quelles sont les équations à utiliser?
Autrement dit comment trouver la valeur optimale gaz/liquide. Par essai il semble que ce soit 1/3 liquide, 2/3 gaz mais nous ne sommes pas sûr de déclencher l'éjection pour la même pression à chaque décollage.
Quel rapport y a t il entre poussée et puissance ?

17/05/2000 Réponse d'Antoine Warnier 
Je ne prétend pas résoudre la totalité du problème, mais je peux dire au moins :
1- Les moteurs fusée conservent la "quantité de mouvement", c'est à dire le produit de la masse par la vitesse. Autrement dit, en gros, le produit de la masse d'eau par sa vitesse d'éjection sera égale au produit de la masse de la bouteille par sa vitesse en fin d'éjection. En détail, il faudrait écrire cette égalité pour chaque fraction de seconde que dure l'éjection (le produit de la masse (infinitésimale) d'eau par sa vitesse d'éjection est égale au produit de la masse de la bouteille par l'augmentation de sa vitesse de vol ) et ensuite additionner chacun de ces éléments (on dit "intègrer"). Mais
2- La vitesse d'éjection de l'eau diminue légèrement car la pression à l'intérieur de la bouteille diminue.
3- Cette vitesse d'éjection est en effet due à la surpression créée à l'intérieur de la bouteille : cette surpression crée sur l'eau considérée comme un piston une force égale au produit de la surpression par la surface d'une section du goulot. Cette force imprime à l'eau une accélération (f=m*gamma) mais
4- La quantité d'eau éjectée à chaque instant, et sa vitesse d'éjection dépendent de pas mal de facteurs dont, surtout, la forme du goulot (tuyère) et sa rugosité: on est dans le domaine de l'hydrodynamique et j'ai peur, en essayant d'aller plus loin, de dire des bêtises. C'est pourtant bien cette branche de la science qui permettrait d'écrire toutes les équations et d'expliquer pourquoi l'eau est efficace.
5- Car il est bien évident que la seule source d'énergie de cette fusée est l'air comprimé. L'eau ne fournie aucune énergie, et au contraire prend de la place au détriment d'un peu plus d'air comprimé; mais je peux imaginer que l'optimum observé correspond au cas où la dernière goutte d'eau est éjectée pile quand l'air est revenue à la pression atmosphérique. Donc la pompe à vélo fournit une surpression d'une demi atmosphère (réduisant le volume d'air de la bouteille au 2/3) ou bien c'est à cette pression que le bouchon saute !

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La pompe à eau
10/05/2000 Question de Martine Reich, enseignante de cycle 3 à l’école de Vert-Bois (73) alain.reich@libertysurf.fr
J'essaye de fabriquer une pompe à eau solaire, mon système est le suivant : une bouteille-puits remplie d'eau bien sur, un tuyau la relie a la bouteille réservoir contenant un peu d'eau qui est exposée au soleil, le tout est hermétiquement fermé qui peut m'expliquer comment l'eau  arrive à monter, mon montage est-il bon et comment l'améliorer ?

13/05/2000 Questions de Bernard Roulet et François Abel, consultants
Le montage a-t-il été réalisé et fonctionne-t-il réellement ? Un schéma serait le bienvenu, mais par e-mail c'est difficile...
Où avez vous trouvé ce montage ? Peut-on avoir la référence (livre, doc...) L'ensemble est-il réellement étanche? Du côté "réservoir" le tuyau trempe-t-il dans l'eau ?
Quelle est la différence d'altitude entre les deux bouteilles? "

15/05/2000 Réponse de Martine Reich
Oui le montage fonctionne réellement d' ailleurs on a réalisé plusieurs montages ( dont un avec le tuyau qui trempe dans l'eau du réservoir) afin d'observer les différences. Un des réservoirs est en verre et on a pu observer au début qu'il n'y avait pas de condensation dans celui-ci par rapport à ceux en plastiques(explication ??).Autrement le branchement est étanche, le tuyau du réservoir ne trempe pas dans l'eau, la hauteur entre les deux récipients est de moins de un mètre. J'essaye de vous transmettre le document mais je n'ai pas de références précises.

 17/05/2000 Réponse d’Antoine Warnier
Je me lance, bien que je ne sois pas absolument sûr de ce qui a été observé :
J'imagine qu'au soleil, la bouteille du haut (la pompe) s'échauffant, l'air qu'elle contient se dilate et l'eau se vaporise partiellement; le mélange air-vapeur s'échappe par le tuyau et sort du "puit" (où une partie de la vapeur s'est recondensée).
J'imagine ensuite que, l'ombre (la nuit ?) venue, la pompe refroidit, l'air qu'elle contient encore se contracte et la vapeur se condense, faisant baisser la pression au point que l'eau du puit monte dans le tube et coule dans la pompe.
Mais je ne comprend pas pourquoi cela ne marcherait pas avec la pompe en verre. Je m'étonne que les pompes en plastique ne s'écrasent pas sous la dépression; je n'ai pas pris le temps de vérifier si elles résistent à une dépression de 1 mètre de colonne d'eau, soit environ 100 mbar. Jusqu'à quelle élévation de la pompe au dessus du puit cela marche-t-il ? "

 

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