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d'un
lac, et que, lors d'une promenade en barque, nous prendrons avec nous
la bouteille attachée à une ficelle suffisamment
longue. La bouteille
seule, bien fermée par un bouchon de liège,
flotterait sur l'eau ;
c'est pourquoi nous
l'alourdissons
avec une pierre. Si nous en avons l'occasion, nous ne manquerons pas de
réaliser cette expérience. Mais auparavant,
demandons-nous ce qu'il
advient de la bouteille quand elle est immergée à
10 m de profondeur.
Une colonne d'eau de 10 m d'épaisseur exerce alors sa
pression sur elle
; chaque cm2
de la bouteille subit une pression de 1 kg, et
par conséquent la bouteille entière une pression
de 200 kg. Il est
probable que la bouteille ne la supportera pas et sautera. La bouteille
sera écrasée avec certitude si nous
l'immergeons par 20 ou 30 m de
fond. Nous savons que la bouteille a sauté lorsque des
bulles d'air
apparaissent à la surface, ou quand la pierre devient
soudain plus
lourde.
Nous
pouvons répéter l'expérience avec une
bouteille identique, mais non
fermée par un bouchon. Malgré la grande
pression elle restera intacte,
parce qu'elle se remplira d'eau et que la pression du liquide se
manifestera aussi à l'intérieur.
L'écrasement se produit quand la
pression ne s'exerce que sur une face.
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Corps flottants
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84.
Un moment passionnant
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La
poussée a pour effet de permettre à des
récipients de flotter sur
l'eau, même s'ils sont en métal. Mais
dès que leur poids devient
supérieur à la poussée, ils coulent.
Nous pouvons poser le petit
capuchon de la lampe à alcool sur l'eau, et l'alourdir en y
versant
prudemment de l'eau. Il s'enfonce de plus en plus. C'est un moment
palpitant, quand sous l'effet de l'eau ajoutée
goutte à goutte, le
capuchon semble finalement collé par son bord
supérieur à la surface de
l'eau, puis s'en va soudain au fond de l'eau. Il coule parce que son
poids, auquel s'est ajouté celui de l'eau, est devenu
supérieur à la
poussée.
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||||
85.
Il y a 2 000 ans
Le
grand philosophe grec Archimède s'était
déjà occupé de la poussée
et
des corps flottants, et il avait trouvé que la
poussée est exactement
égale au poids de l'eau déplacée.
C'est pourquoi les corps qui
déplacent beaucoup d'eau subissent une grande
poussée, comme, par
exemple, notre grande bouteille d'aluminium vide, lorsqu'elle
est
plongée dans une cuvette.
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82.
L'eau exerce-t-elle aussi sa pression vers le haut ?
La
chose ne nous paraît guère convenable, sinon l'eau
s'écoulerait par l'ouverture supérieure
du tuyau.
Remplissons
d'eau aux trois quarts notre récipient ;
enfonçons dans cette eau
l'éprouvette vide jusqu'à ce qu'elle touche le
fond, puis lâchons-la.
L'éprou-vette se soulève brusquement ; elle est
poussée vers le haut
par l'eau. Cette pression dirigée de bas en haut est
appelée la poussée.
85.
Œil pour œil, dent pour dent
Marquons
le niveau de l'eau dans notre verre au moyen d'un élastique
tendu
autour du récipient ; plongeons de nouveau
l'éprouvette dans l'eau et
observons le niveau du liquide. L'eau monte, elle est
déplacée par
l'éprouvette. L'eau à son tour expulse
l'éprouvette selon le principe :
si tu m'opprimes, je t'opprime aussi, c'est la loi du talion :
œil pour
œil, dent pour dent.
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86.
Un appareil basé sur la poussée
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Plongeons
la longue branche du tube de verre recourbé dans le vase
rempli d'eau,
et immobilisons-le au moyen du coin de bois. Versons un peu d'eau
à
l'aide de ce tube et recueillons-la dans
l'éprouvette, en veillant à
ce que l'ouverture du tube ne touche pas la paroi de
l'éprouvette.
L'eau du vase s'écoule jusqu'au niveau
correspondant exactement à la
hauteur de l'ouverture du tube de verre. Jetons l'eau qui s'est
écoulée. Plaçons de nouveau
l'éprouvette sous le tuyau d'écoulement et
plongeons la trompe à eau suspendue à un fil,
dans l'eau du vase. L'eau
déplacée s'écoule dans
l'éprouvette.
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32
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33
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En
appliquant l'échelle imprimée ci-contre le long
de l'éprouvette, nous
trouvons la quantité d'eau déplacée.
Si nous trouvons 10 cm3,
nous devons en déduire que le corps immergé a
également un volume de 10 cm3.
|
91.
Comment ils flottent
Faisons
flotter un morceau de bois dur, de 10 cm de long, dans
l'éprouvette et
voyons quelle est sa partie immergée. Faisons ensuite
flotter un
morceau de sapin de même taille ; la moitié
seulement est sous l'eau.
Observons en outre comment flotte une bougie ou l'un de nos
bouchons
de liège dans l'eau. Nous remarquons que la hauteur de la
partie
immergée correspond au chiffre qui exprime au
numéro 88 le poids par cm3.
92.
Iceberg et navigation
|
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87.
Le
volume d'un galet
|
||||||
peut
être déterminé,de la même
façon. Nous pouvons peser la pierre sur le
pèse-lettres ou sur la balance qui sera décrite
plus loin, et calculer
ensuite combien pèse 1 cm3
de pierre. Exemple : poids de la pierre 84 g. Son volume
était de 31 cm3
; le poids de chaque cm3
est donc 84 : 31 = 2,7 g.
88.
Tableau du poids par cm3
Le
problème qui
vient d'être
résolu pourrait se répéter pour de
nombreux
corps
; nous obtiendrions alors le tableau
suivant du poids par cm3
:
or
19,3
eau
1,0
plomb
11,3
bois
de sapin
0,50
argent
10,5
bois
de hêtre
0,75
cuivre
8,9
alcool
0,79
laiton
8,4
pétrole
0,81
fer
7,8
corps
humain
0,9
à 1,1
verre
2,4
à 5,9
glace
0,9
marbre
2,7
cire
et stéarine
0,95
aluminium
2,6
liège
0,24
glycérine
1,2
Remarquons
que
l'or est 80 fois plus
lourd qu'un bouchon de liège ayant même volume.
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||||||
Un
petit morceau de glace flottant sur une boisson estivale nous rappelle
que 1/10 seulement d'un bloc de glace flottante
émerge de l'eau.
Comment flotterait un iceberg ? Pourquoi un iceberg est-il si dangereux
pour la navigation ? Parce que la plus grande partie de sa masse est
invisible sous l'eau.
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93.
Des œufs qui flottent
Des
œufs frais s'en vont au fond de l'eau ; s'ils flottent, ils
ont déjà
perdu de leur poids par dessèchement du contenu. Dans de
l'eau très
salée, les œufs frais flottent
également, car dans cette eau plus
lourde, ils ne peuvent pas aller au fond. Faites un essai, les
œufs
n'en seront pas moins propres à la consommation.
94.
Les corps flottent difficilement sur l'alcool
L'alcool
est un liquide plus léger que l'eau, c'est pourquoi les
corps y
flottent moins bien. La bougie, qui pouvait encore se maintenir
à la
surface de l'eau, coule dans l'alcool.
95.
De l'eau étendue
Nous
savons que l'on peut étendre du vin, ou du lait, ou encore
du sirop
épais, par adjonction d'eau ; mais peut-on aussi
étendre de l'eau ?
Apparemment non. Cependant, comme l'alcool est moins dense que l'eau,
celle-ci est réellement étendue quand on y ajoute
de l'alcool.
Introduisons un petit morceau de bougie dans l'éprouvette
remplie d'eau
jusqu'à mi-hauteur. Nous y versons ensuite de l'alcool et
nous
parvenons à obtenir un liquide dans lequel la bougie ne
flotte pas,
mais ne va pas non plus au fond ; elle reste en suspension dans le
liquide.
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89.
Jean le Chanceux
se
plaint, dans un conte, que le bloc d'or reçu comme salaire
est
affreusement lourd. Le calcul nous apprend qu'un lingot d'or d'un
volume égal à deux fois la grosseur du poing,
soit environ un dm3,
est 1.000 fois plus lourd qu'un cm3,
et ne pèserait pas moins que 19,3 kg.
90.
Qu'est-ce qui flotte ?
Examinons
encore une fois les séries de chiffres du numéro
88. Remarquons que les
corps de la colonne de gauche, qui sont plus lourds que l'eau, y
couleraient tandis que ceux de la colonne de droite, plus
légers, y
flotteraient. Qu'advient-il d'une goutte d'huile de machine,
épaisse et
apparemment lourde, que nous laissons tomber dans de l'eau ? On est
souvent trompé par l'apparence.
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34
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35
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96.
Deux gouttes d'huile
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99.
La cloche à plongeur
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L'une
est déposée sur de l'eau, l'autre sur de
l'alcool. L'huile flotte sur l'eau, mais s'enfonce dans l'alcool.
|
La
cloche à plongeur est basée sur le fait que l'air
peut être comprimé,
mais qu'il exige tout de même un espace
déterminé. Quand nous plongeons
rapidement un verre dans l'eau, l'ouverture en bas, il n'y
entre pas
d'eau, parce qu'il y a de l'air dans le verre. Sous notre verre nous
pouvons faire flotter un bouchon de liège, et y
déposer par exemple un
insecte. Celui-ci pourra parfaitement vivre sous l'eau, et ne
pas être
mouillé.
|
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97.
Trois liquides dans le même verre
Versons
d'abord 1 cm de glycérine ; ajoutons prudemment de l'eau
colorée versée
le long de la paroi du verre de l'éprou-vette, puis encore 1
cm
d'huile. Le résultat n'est-il pas curieux ?
|
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100.
L'entonnoir
entêté
Réalisons
un entonnoir avec notre gros tube de verre en le coiffant d'un bouchon
traversé par un tube de verre court. Nous l'adaptons sur une
bouteille
à médicament et nous nous efforçons
d'empêcher l'air de la bouteille de
s'en échapper, en pressant le bouchon sur le goulot. Si nous
versons
ensuite de l'eau dans l'entonnoir, nous pouvons remarquer
qu'elle ne
coule pas dans la bouteille ; ce n'est qu'après avoir
laissé échapper
un peu d'air que l'eau y pénètre.
101.
La bouteille qui n'en veut faire qu'à sa tête
|
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Pression de l'air
98.
Le plongeur obéissant
Fabriquons
un corps flottant au moyen du petit tube de verre pourvu du
bouchon de
liège perforé. Le petit clou introduit dans le
tube doit servir à
lester notre corps flottant afin qu'il puisse être
immergé presque
complètement. On y parvient aisément en y
introduisant quelques gouttes
d'eau. La mise au point du flotteur s'obtient en enfonçant
plus ou
moins le bouchon, ce qui détermine un déplacement
d'eau plus ou moins
grand. Si le flotteur coule, nous le rendons apte à flotter
en retirant
légèrement le bouchon. A présent,
introduisons le flotteur dans une
bouteille à bière ou à vin, presque
remplie d'eau. Fermons la bouteille
avec le bouchon perforé, traversé par un tube de
verre court, auquel
est adapté le tuyau de caoutchouc.
Soufflons
maintenant lentement dans le tuyau de caoutchouc ; nous voyons
alors
le flotteur plonger immédiatement. Quand nous
cessons de souffler, il
revient à la surface. L'explication de ce
phénomène nous est donnée,
quand nous examinons attentivement le corps flottant. Chaque fois que
nous augmentons la pression sur l'eau, cette pression fait
pénétrer un
peu d'eau dans le petit tube qui devient un peu plus lourd et
s'enfonce. Quand la pression redevient normale, l'air
renfermé dans le
petit tube chasse l'eau et le corps immergé remonte. Ces
mouvements de
plongée et d'émersion sont
particulièrement amusants quand on place la
bouteille derrière un écran de papier dans lequel
on a fait une
ouverture, et qu'on présente le
phénomène comme un tour magique.
|
||||||
Quand
nous retournons la bouteille à médicament remplie
d'eau dans un
saladier vide, l'eau commence à s'écouler. Mais
aussitôt que le col de
la bouteille plonge complètement dans l'eau,
l'écoulement cesse. Ce
n'est qu'après avoir soulevé un peu la bouteille
pour y laisser
pénétrer quelques bulles d'air, ou bien
après y avoir introduit le
tuyau de caoutchouc qui laisse entrer l'air d'une façon
continue, que
l'eau s'écoule de la bouteille. Ici encore c'est l'air qui
constitue
l'obstacle, bien qu'il soit invisible et qu'il ne paraisse
présenter
aucune force.
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102.
La bouteille jaillissante
Remplissons
aux 3/4 d'eau une bouteille ; fermons-la ensuite avec le bouchon
traversé par le tube de verre effilé. Il est
indispensable que le
bouchon ferme hermétiquement. Au-dessus de l'eau il y a de
l'air.
Insufflons de l'air dans la bouteille : cet air monte sous forme de
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37
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bulles
à travers l'eau, s'ajoute à celui qui y est
déjà renfermé, et accroît
ainsi la pression de l'air sur la surface de l'eau. Quand nous cessons
l'insufflation, un jet d'eau jaillit soudain de la bouteille. Cette
bouteille jaillissante était déjà
connue de la Grèce antique sous le
nom de fontaine de Héron.
103.
Une bouteille jaillissante à fonctionnement continu
peut,
se monter d'après le dessin ci-contre. En insufflant de
l'air d'une
manière continue par le tuyau de caoutchouc, l'eau jaillit
en un jet
ininterrompu par le tube effilé.
104.
La pression dans la conduite du gaz
Si
nous avons la possibilité de raccorder notre tuyau de
caoutchouc à la conduite du gaz, nous pouvons essayer de
déterminer à
quelle hauteur la pression du gaz peut faire monter l'eau.
Au
moyen de l'éprouvette nous faisons une espèce de
bouteille
jaillissante. L'éprouvette est remplie d'eau
jusqu'à mi-hauteur. Le
long tube droit se prolonge au-dessus du bouchon par le tube
effilé. Un
segment coupé dans le tuyau de caoutchouc sert de raccord
aux deux
tubes. Le tube effilé est dirigé vers le haut.
Nous remarquons que la
pression du gaz est si faible, qu'elle est à peine capable
de faire
monter l'eau à 15 — 20 cm de hauteur.
105.
Quelle pression peuvent exercer nos poumons ?
Pour
mesurer la pression que peuvent développer nos poumons, il
faudrait
superposer plusieurs tubes, jusqu'à 1,5 m environ de hauteur
; nous
pourrions alors observer que sans grand effort nous parvenons
à faire
monter l'eau à 1 — 1,5 m de hauteur environ. La
pression des poumons
correspond à une hauteur d'eau de 100 à
150 cm. La pression du gaz
dans la conduite n'était que de 18 cm d'eau.
106.
Un manomètre
permettant
de mesurer des pressions plus grandes, peut être
fabriqué avec le tube
coudé fermé à l'une de ses
extrémités. Normalement l'air exerce une
certaine pression, la pression atmosphérique, due
à la couche d'air de
l'atmosphère,
|
qui
s'élève jusqu'à 100 km de hauteur. En
plongeant le tube coudé dans
l'eau, la pression atmosphérique normale refoule
l'eau jusqu'au coude
de la branche courte du tube. Si la pression augmente, l'air
emprisonné
dans la longue branche du tube peut être comprimé
; ainsi, quand la
pression est augmentée d'une atmosphère,
l'air n'occupe plus que la
moitié du volume primitif. Sous deux atmosphères
de surpression, le
volume d'air se réduit au 1/3. Nous marquons les 1/2 , 1/3
et 1/4 du tube par de petits anneaux élastiques
coupés au bout de notre
tuyau de caoutchouc. Adaptons notre manomètre au
robinet de la
conduite d'eau, en maintenant fermement" le bouchon dans
l'ouverture
d'écoulement du robinet ; ouvrons ensuite le robinet et
mesurons la
pression de l'eau. Nous avons :
1/2
volume d'air = 1 atmosphère de surpression 1/3 »
» = 2 atmosphères » »
1/4
» » =
3
»
»
»
1/5
» » = 4
»
»
»
107.
Pression dans la chambre à air de la bicyclette et de
l'automobile
L'esprit
inventif du jeune chercheur lui permettra certainement de trouver
comment, à l'aide de ce manomètre, il est
possible de mesurer la
pression de la chambre à air de la bicyclette et
même d'un pneu
d'automobile. On admet,
pour les pneus d'automobiles, une surpression d'environ 2
atmosphères.
108.
Pression inférieure à la pression
atmosphérique
Au
lieu d'insuffler de l'air par le tuyau de caoutchouc dans la bouteille
jaillissante, nous pouvons aspirer l'air, et observer que le
niveau de
l'eau s'abaisse dans le tube, ce qui nous montre que par l'aspiration
la pression est devenue inférieure à
celle de l'atmosphère.
109.
Nous aspirons l'air d'une bouteille Nous
aimerions déterminer la quantité d'air que nous
pouvons extraire par
aspiration de notre bouteille à
médicament. La bouteille étant munie
d'un bouchon, du petit tube de verre et du tuyau court de caoutchouc,
nous aspirons par le tuyau de caoutchouc autant d'air que nous
pouvons
sans surmener nos poumons, puis pinçant le tuyau entre deux
doigts,
nous introduisons son orifice dans l'eau et nous desserrons les doigts.
L'eau se précipite dans la bouteille et prend la place de
l'air aspiré.
Quelle fraction de l'air contenue dans la bouteille en avons-nous
extraite ? Nous sommes surpris de constater que cette partie est infime.
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38
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39
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110.
Un vaporisateur
|
112.
Elle aspire réellement
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|
|||||
C'est
un appareil des plus simples : un tube droit, effilé, dont
l'extrémité
inférieure plonge dans l'eau, puis un
deuxième tube tenu
horizontalement, tout près de l'orifice du tube
effilé, et dans lequel
on souffle. Le courant d'air qui passe sur le tube effilé
fait monter
l'eau qui est en quelque sorte aspirée de la bouteille.
|
Les
bulles d'air font écumer l'eau. Si nous fermons le tube
latéral, les
bulles d'air disparaissent immédiatement dans l'eau
d'écoulement. Nous
pouvons nous assurer que l'aspiration se fait réellement par
l'ouverture latérale, en adaptant le tuyau de caoutchouc
à cette
ouverture et en le faisant plonger dans une éprouvette
pleine d'eau :
l'éprouvette est vidée « d'un trait
».
113.
La bouteille vide
!
■
Nous
allons voir à présent si notre pompe aspire mieux
que nos poumons, et
quelle quantité d'air elle parvient à extraire de
la bouteille à
médicament. Répétons
l'expérience 109. Quand la pompe a fonctionné un
certain temps, et que par la diminution, puis l'absence totale des
bulles d'air dans l'eau d'écoulement, nous pouvons
admettre que la
plus grande partie de l'air a été extraite, nous
pinçons le tuyau de
caoutchouc entre deux doigts et nous le détachons de la
pompe. Nous le
plongeons alors rapidement dans l'eau et observons la
quantité de
liquide qui pénètre dans la bouteille et prend la
place de l'air
extrait. Nous remarquons que notre trompe à eau
fonctionne très bien.
Cependant, nous ne parviendrons jamais à faire le
vide absolu par ce
procédé.
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||||
111.
La trompe à eau
|
|||||
Inversement,
un courant liquide qui passe à proximité d'un
tube, aspire de l'air par
ce tube. Construisons une pompe, appelée trompe à
eau, en utilisant le
tube métallique court, avec tubulure latérale,
que nous trouverons dans
notre boîte. Le tuyau est relié au robinet par son
orifice étroit. Pour
ce faire, nous glissons le manchon de caoutchouc sur l'ouverture
étroite du tuyau de métal, jusqu'à la
rainure pratiquée dans le métal.
Nous fixons le manchon en utilisant comme lien un bout de fil de fer,
ou mieux de cuivre, dont nous torsadons étroitement les
extrémités avec
une pince. L'autre bout du caoutchouc est glissé sur le
robinet et fixé
de la même façon.
|
|||||
|
|||||
Pour
des expériences de peu de durée, on peut faire
abstraction du joint de
caoutchouc entre le tuyau de métal et le robinet.
Il suffit
d'appliquer sur l'ouverture étroite du tuyau
métallique le joint en
cuir perforé et de presser ensuite le tuyau contre l'orifice
du robinet.
|
114.
Nous construisons une balance
Dans
chacun des trous percés aux extrémités
du fléau de balance nous
coinçons, au moyen d'allumettes, une aiguille à
coudre et nous
suspendons à chacune d'elles, les deux grands barreaux
coudés. A
l'extrémité de ceux-ci, adaptons une grande
poulie, en guise de
plateau, Par le trou central du fléau passons un clou moyen
sans tête,
que nous appuyons ensuite sur les têtes de deux clous
fixés dans un
petit disque. Ce disque est monté au moyen d'un clou sur le
support. En
guise de poids nous utilisons de la petite monnaie, ou un clou sans
tête de 4 cm de long qui pèse 2 grammes. Nous
pouvons déterminer le
poids d'une allumette, en plaçant sur l'un des
plateaux le nombre
d'allumettes nécessaires pour faire
équilibre au clou.
|
||||
L'ouverture
inférieure du tube de la trompe doit plonger dans l'eau
contenue dans
un récipient, afin que l'air ne puisse pas y
pénétrer. On peut aussi
prolonger le tube par un tuyau de caoutchouc ou par un tuyau
de verre,
qui doit également plonger dans l'eau. Sur le tube
latéral nous
adaptons le long tuyau de caoutchouc, mais il ne doit pas encore
plonger dans l'eau, comme sur le dessin. Quand, après avoir
ouvert
partiellement le robinet, l'eau coule modérément,
l'air est aspiré par
le tube latéral. On s'en rend compte par les nombreuses
bulles d'air
qui viennent éclater à la surface de l'eau dans
laquelle aboutit le
tuyau d'écoulement.
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40
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41
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115.
Nous allons peser de l'air
|
d'air
de 100 km devrait exercer une pression de plus de 1.000 kg sur notre
tête. Mais à mesure qu'on
s'élève la densité de l'air diminue
rapidement. C'est pourquoi la pression atmosphérique qui
s'exerce sur
chaque dm2
du corps n'est que de 100 kg, ou de 1 kg par cm2.
Notre corps subit ainsi une pression de 20.000 kg en chiffres ronds.
N'est-ce pas extraordinaire que nous ne soyons pas
écrasés par ce poids
formidable, comme il semble que devrait l'être l'homme de
notre image!
Mais nous ne ressentons pas cette pression, parce qu'elle nous atteint
non seulement d'en haut, mais aussi par le bas, à
l'intérieur de notre
corps, de tous côtés, et que, par
conséquent, elle est équilibrée.
Rappelons-nous l'expérience de la bouteille
immergée dans le lac, et
qui ne fut pas écrasée, quand la pression se
manifestait aussi à
l'intérieur.
118.
Pourquoi le couvercle du verre à stériliser
tient-il si bien?
Adaptons
le bouchon perforé, traversé par le tube de verre
et complété par le
tuyau de caoutchouc dans le trou du couvercle métallique de
la lampe à
alcool ; plaçons l'anneau de caoutchouc plat entre
le couvercle et une
plaque de verre, et aspirons l'air au moyen de notre trompe
à eau. Tout
à coup le couvercle adhère fortement au verre. Il
est plaqué par la
pression extérieure de l'air contre la plaque de verre,
l'espace
intérieur ne renfermant presque plus d'air. Laissons l'air
pénétrer à
nouveau par le tuyau de caoutchouc : le couvercle peut alors
être
enlevé sans peine.
|
||
C'est
très simple. Pesons d'abord notre bouteille d'aluminium sans
air, puis
avec de l'air. A gauche, nous suspendons la bouteille d'aluminium munie
du bouchon, du tube de verre et du tuyau de caoutchouc.
L'extrémité
ouverte du
tuyau
de caoutchouc est pourvue du tube de verre coudé et
fermé. Nous
établissons l'équilibre en suspendant
à l'autre branche du fléau et en
les déplaçant, une grande et deux
petites poulies. Avec la trompe nous
pompons maintenant l'air de la bouteille, puis nous la
suspendons de
nouveau à notre balance. Après avoir
rétabli l'équilibre, nous laissons
pénétrer l'air dans la bouteille, et nous
remettons le tube coudé en
place, car il doit être compris dans la pesée.
Nous constatons que la
bouteille est maintenant plus lourde. Ainsi, l'air est pesant. Sans
déplacer les disques nous rétablissons
l'équilibre en disposant des
allumettes sur le fléau. Chaque allumette pèse
environ 1/10 g ; nous
pouvons donc calculer le poids de l'air contenu dans la bouteille. On
a établi, par
des pesées précises, que le poids de 1 litre
d'air est de 1,3 g.
|
|||
116.
L'air de la chambre
L'air
nous semble très léger. Un litre d'eau n'est-il
pas 800 fois plus lourd
que 1 litre d'air ! Calculons donc le poids de l'air de la chambre.
Admettons que ses dimensions soient :
4
x 6 x 3 m
= 72 m3
= 72 000 1 à 1,3 g = 93,6 kg. N'est-ce pas
stupéfiant ! L'air de la chambre pèse
près de 100 kg.
117.
La puissance de la pression atmosphérique
Quel
est le poids de l'air au-dessus de nos têtes, si
l'atmosphère s'élève à 100
km de hauteur ?
Pour
1 m de hauteur, il y a environ 10 1 d'air au-dessus de notre
tête. Une
colonne de 1 km de haut, avec ses 10 000 litres,
pèse déjà 13 kg, et
une colonne
|
|||
119.
Le verre à la bouche
Aspirez
l'air de l'éprouvette avec la bouche.
L'éprouvette y reste collée,
parce qu'elle est pressée contre les lèvres par
la pression extérieure
de l'air.
120.
Eau de citron et pression atmosphérique
Quand
vous aspirez l'eau au moyen du petit tube, le liquide monte
jusqu'à
votre bouche, parce que la pression de l'air s'exerce sur la
surface
libre du liquide et le chasse dans le tube, où la pression a
disparu.
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121.
L'eau ne s'écoule pas
L'expérience
connue, qui consiste à remplir une éprouvette
d'eau jusqu'au bord, à la
recouvrir d'une feuille de papier, et à la retourner ensuite
sans que
l'eau s'écoule, s'explique par la pression de l'air, qui
applique le
papier contre le verre.
|
fonctionner
comme soupape. Prolongeons encore le tube effilé par le tube
coudé
ouvert aux deux extrémités, en utilisant comme
joint un bout du tuyau
de caoutchouc ; cet ensemble constitue le tuyau
d'écoulement. Dans le
tuyau d'aspiration nous introduisons la soupape conique, dont
la tête
vient s'appuyer sur le bouchon. Un bouchon perforé sert de
glissière à
la tige du piston dans la partie supérieure du tube de verre.
Quand
on soulève lentement le piston, la soupape conique se
soulève
également, et l'eau monte dans le corps de pompe. Lorsque le
piston est
poussé vers le bas, la soupape conique s'abaisse et l'eau
est poussée
dans le tuyau de caoutchouc. Elle soulève la soupape du tube
effilé,
monte dans le tube coudé et s'écoule. Les pompes
servent à élever de
l'eau d'un récipient dans un autre plus
élevé. Pour rendre notre pompe
plus maniable, nous pouvons très bien la fixer à
la tringle-support.
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122.
la seringue
Fabriquons
une seringue au moyen du gros tube de verre. A l'une des
extrémités
nous adaptons un bouchon traversé par le tube de verre
effilé. Sur la
tige
.
du piston, entre les deux écrous ronds, nous serrons le
joint en cuir
qui doit constituer le piston. La face concave du cuir doit
être
tournée vers le tube effilé. Pour ne pas
endommager le joint, nous
introduisons la tige du piston dans le gros tube par le bas. Un bouchon
perforé sert de glissière à la tige du
piston, à l'autre extrémité du
tube.
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En
tirant le piston vers le haut, l'eau pénètre dans
le tube, parce que la
pression de l'air qui se manifeste sur la surface libre de l'eau la
pousse dans le tube où la pression est nulle. Ouvrons la
fenêtre,
dirigeons
l'orifice
de la seringue vers l'extérieur, et refoulons le piston :
l'eau
jaillit en un beau jet.
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123.
Une pompe
Notre
seringue peut se transformer, assez facilement, en une vraie pompe. Le
bouchon de liège et le tube effilé sont
remplacés par le bouchon à deux
trous. Dans l'un des orifices, nous passons le long tube de verre en
guise de tuyau d'aspiration, et dans l'autre le tube de verre court
continué par le tuyau de caoutchouc. A l'autre
extrémité du tuyau de
caoutchouc, nous adaptons le tube de verre effilé,
la partie en pointe
dans le caoutchouc. Laissons tomber dans ce tube un petit clou
sans
tête, dont la pointe doit pénétrer dans
la partie effilée, afin qu'il
puisse
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Aérostats
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supporte
qu'un diamètre d'environ 20 cm. Pinçons
l'appendice du ballon entre les
deux doigts, pendant qu'un camarade enlève le ballon et
serre
l'appendice avec du coton à tricoter. Le ballon ne
s'élève
malheureusement pas, il tombe sur le sol. Il peut servir tout au plus
à
une partie de balle.
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124.
Les bulles de savon
sont
faites avec plaisir par tous les enfants. Râpons un peu de
savon et
dissolvons-le dans de l'eau contenue dans notre verre ;
plongeons le
tube droit dans le liquide et faisons une bulle de savon.
Après s'être
détachée, nous la voyons descendre lentement vers
le sol, parce qu'elle
est plus lourde que l'air. Son excédent de poids provient de
la
membrane de savon.
125.
Une bulle de savon remplie de gaz
En
agissant avec prudence, nous pouvons gonfler une bulle au gaz de ville.
Pour détacher la bulle, il faut la tourner vers le haut ;
comme elle
est plus légère que l'air elle
s'élève dans l'atmosphère. Nous ferons
cette expérience loin du feu.
126.
Un ballon sphérique
est
toujours quelque chose de plaisant ; nous constatons avec plaisir que
notre boîte contient une enveloppe de ballon. Nous essayons
de la
gonfler, mais nous nous essoufflons et le résultat n'est
guère
encourageant. Notre ballon n'a pas une forme sphérique
parfaite. Il
nous faut donc le gonfler d'une autre manière. Utilisons
pour ce faire
notre pompe à main de l'expérience 123.
L'extrémité du tuyau de
caoutchouc est attachée verticalement à un clou
sans tête, et
l'orifice du ballon est passé sur le caoutchouc ;
l'appendice qui
constitue l'entrée du ballon est entouré
plusieurs fois d'un fil de
coton, afin d'obtenir une étan-chéité
parfaite, en un point situé à
environ 2 cm de l'extrémité du tuyau de
caoutchouc. Pour que l'air
chassé par le tuyau n'y retourne pas, nous le
garnissons d'une soupape
; nous l'obtiendrons en pratiquant une fente verticale de 1 cm dans le
tuyau de caoutchouc, avec une lame tranchante.
L'extrémité du tuyau
étant fermée par le petit bouchon de
liège, l'air s'échappe par la
fente mais ne peut plus revenir en arrière.
Essayons
maintenant notre système de pompage.
Déplaçons rapidement le piston de
droite à gauche et de gauche à droite. Si le
mouvement est lent, les
soupapes ne s'ouvrent pas, en raison de la faible densité de
l'air.
Nous voyons avec plaisir le ballon augmenter de volume à
chaque coup de
piston. Nous ne gonflons naturellement pas notre ballon d'une
façon
exagérée ; l'enveloppe ne
|
|||
127.
Le ballon est gonflé avec du gaz
Relions
le ballon à la conduite du gaz. Il se gonfle très
peu. Nous savons déjà
que la pression du gaz est très faible, et c'est la
raison pour
laquelle il est nécessaire de pomper le gaz et de le chasser
dans le
ballon. Nous utilisons la même pompe que
précédemment, mais cette
fois-ci le tube coudé doit être relié
à la conduite du gaz. Le ballon
doit atteindre un diamètre de 20 à 25 cm. Lorsque
nous le détachons,
comme précédemment, pour le
lâcher dans la chambre, il
s'élève
jusqu'au plafond. Il est recommandé de le vider
avant qu'il ne saute,
puisque nous avons la possibilité de le gonfler de nouveau
et de le
faire monter à prochaine occasion. Cette
expérience est à réaliser loin
du feu.
|
|||
128.
La force ascensionnelle du ballon
Le
ballon s'élève quand l'enveloppe et le gaz
pèsent ensemble, moins que
l'air déplacé par le ballon. 1 litre de gaz
d'éclairage pèse 0,8 g, 1
litre d'air 1,3 g. Pour chaque litre de gaz d'éclairage, le
ballon
subit une poussée de 0,5 g. Nous pouvons peser l'enveloppe
de notre
ballon sur le pèse-lettres, ou la mettre sur notre balance
à fléau,
établir l'équilibre par des allumettes, et
déterminer ainsi le nombre
de litres de gaz que doit contenir le ballon pour emporter
l'enveloppe.
Pour
les ascensions en aérostats on utilise des ballons dont la
capacité est d'environ 500 m3.
Chaque litre de gaz d'éclairage produit une
poussée de 1,3 — 0,8 = 0,5 g. Quelle est la
poussée du gaz dans le ballon ?
500 000 litres x 0,5 g = 250 000 g ou
250 kg.
Après
déduction du poids de l'enveloppe, des instruments, etc., la
poussée
est encore suffisante pour permettre d'emporter 2 passagers.
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129.
Vol à hélice
|
Dans le royaume des sons
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L'avion
vole sans enveloppe ni gaz, grâce à la propulsion
par l'hélice. Faisons
monter notre hélice en l'air ; pour ce faire nous
construisons le
mécanisme rotatif représenté
par notre figure. Le bouchon de liège
perforé, pourvu du tube de verre court, est placé
sur le clou sans
tête. Une ficelle est enroulée autour du tube de
verre ; quand on la
tire très rapidement, le tube de verre et le
bouchon sont animés d'une
rotation très rapide. L'hélice est
posée sur le bouchon, et un
fragment d'épingle est enfoncé
à côté, dans le liège, pour
que
l'hélice soit entraînée dans la
rotation. Si l'on met maintenant le
mécanisme en mouvement, l'hélice
s'élève. Il faut toutefois que le
sens de rotation corresponde aux arêtes relevées
de l'hélice.
|
131.
Des aiguilles à tricoter
Dans
les écoles de filles, la leçon de couture est
parfois troublée par un
son intempestif, émis par des aiguilles à
tricoter pincées par le
tiroir du bureau, et que les élèves font vibrer
en les écartant de la
position de repos. L'extrémité libre de
l'aiguille paraît alors
étalée. On entend un son. Un son est toujours
produit par les
vibrations d'un corps. Si la partie libre de l'aiguille devient plus
courte, et vibre par conséquent plus rapidement, le son
devient plus
aigu.
132.
Le
son devient plus harmonieux
Notre
diapason n'est pas autre chose qu'un gros fil de fer
recourbé. Quand on
le saisit au bon endroit, c'est-à-dire au point
où la courbure se
continue par la partie droite, et que l'on frappe l'une des
extrémités
contre un objet, les branches de la fourche se mettent
à vibrer et
engendrent un son agréable.
133.
Un amplificateur bon marché
Appuyons
le diapason animé de vibrations sur une boîte
d'allumettes vide : nous
entendons un son beaucoup plus fort. Cela provient de ce que la
boîte
en bois, vibrant avec le diapason, ébranle un volume d'air
plus
considérable. Quels sont les instruments de musique qui
amplifient
ainsi les sons qu'ils émettent ?
134.
Un instrument à corde
Vissons
solidement le fléau de balance au socle, au moyen de la vis
de liaison,
et tendons un fil solide (en nylon, par exemple), du clou
fixé à
l'extrémité supérieure du
fléau, et passant par le trou du socle,
jusqu'à l'écrou rond de la vis de liaison. Il est
pincé par un deuxième
écrou rond. Une boîte d'allumettes vide est
glissée, en guise de caisse
de résonance, sous le fil tendu ; intercalons encore deux
allumettes
superposées entre la boîte et le fil. La tension
est-elle suffisante,
le fil émet alors un son lorsqu'on le frotte au moyen d'une
baguette de
bois. Quand nous appliquons le doigt sur le fil, le son rendu devient
plus aigu ; il est même possible de produire ainsi une
mélodie. Sans la
boîte amplificatrice, le son émis par le fil
serait moins puissant.
|
||
130.
Fusil à air comprimé
Nous
utilisons pour cette expérience le gros tube de verre, la
tige de
pompe, et deux écrous ronds en ménageant un petit
espace entre eux ;
enroulons dans cet espace du fil de coton pour constituer un piston
glissant exactement dans le tube. Nous fermons le tube avec un bouchon
de liège légèrement humecté,
fermant
bien, mais pas trop enfoncé. Le piston doit être
bien étanche. Si nous
l'introduisons rapidement dans le tube, il y comprime l'air.
L'air
comprimé exerce une pression sur le bouchon et le chasse en
produisant
une détonation. Nous pouvons reproduire ce bruit
à volonté, les
munitions ne coûtant rien. Les fusils à air
comprimé sont basés sur le
même principe ; l'air est également
comprimé par un piston, et c'est
cet air comprimé qui chasse la balle.
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135.
On dit que les Indiens
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138.
Comme une cloche
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appliquent
l'oreille contre le sol pour entendre l'approche ou
l'éloignement d'un
galop de cheval, parce que le son est mieux conduit par le sol que par
l'air. Le bois transmet également mieux les sons. Nous nous
en rendons
compte lorsque nous appliquons sur l'oreille un gros bâton ou
un manche
à balai, dont l'autre extrémité est en
contact avec le diapason qui
vibre. Le son est beaucoup plus beau et plus puissant que celui qui est
porté par l'air.
136.
Une transmission télégraphique bon
marché
Que
peuvent bien faire les deux enfants de notre image ? L'un d'eux
applique son oreille contre le poteau
télégraphique, l'autre frappe
modérément avec une
pierre
sur un poteau éloigné. La bonne conduction du son
par le bois et les
fils métalliques permet au jeune homme d'entendre
très bien les coups,
alors qu'il ne pourrait pas du tout les entendre à travers
l'air. Les
deux garçons peuvent ainsi communiquer
télégraphiquement entre eux, en
convenant de représenter les points de l'alphabet Morse par
un seul
coup, et les traits par une succession rapide de coups.
|
Suspendons
le diapason à une ficelle que l'on passe ensuite sur les
deux oreilles,
et dont on presse les deux extrémités dans le
conduit de l'oreille
externe ; pendant que le diapason oscille librement, on le heurte
contre un objet quelconque, par exemple contre le dossier d'une chaise
; on croirait alors entendre sonner une cloche.
139.
Bruit de bataille par le trou de la serrure
Passons
une ficelle par le trou de la serrure, et tendons-la jusqu'à
la chambre
voisine. Un camarade s'entoure la tête de ce fil et il
entendra un
crépitement de mitrailleuse et des coups de canon. Il ne
pourra pas
s'imaginer comment nous avons produit ce bruit de bataille.
L'explication en est pourtant simple. La ficelle mouillée a
été
enroulée sur un cylindre de carton ; en le faisant
tourner la ficelle
glisse dessus, et chaque secousse du glissement provoque un
craquement.
140.
Un tuyau sonore d'expérience
Qui
n'a jamais essayé de siffler avec une clé creuse
? Il est tout aussi
facile de le faire avec une éprouvette, comme le montre la
figure
ci-contre. Après avoir émis le son, on peut
verser 1 cm d'eau dans
l'éprouvette et siffler de nouveau : le son est plus
élevé. Remplissons
un peu plus notre éprouvette, le son est encore
plus aigu. Le son émis
par un tuyau sonore est d'autant plus aigu, que la colonne d'air du
tube est plus courte.
141.
Un véritable tuyau sonore
peut
être fabriqué au moyen de notre tuyau
métallique. Introduisons le
bouchon aplati dans le tuyau jusqu'à ce que sa face
interne atteigne
la section transversale du tuyau, l'autre
extrémité du tuyau étant
fermée par un doigt ou le plat de la main. Quand nous
insufflons de
l'air dans le tuyau, il émet un son. Nous pouvons
aisément raccourcir
ou allonger l'espace d'air dans le tuyau
en y déplaçant le piston, comme pour la pompe.
Essayons de monter la gamme sur notre tuyau sonore.
|
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137.
Téléphone domestique
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Obturons
le trou du couvercle de la lampe à alcool avec un bouchon de
liège, en
pinçant en même temps entre le bouchon et le
métal un gros fil ou de la
ficelle
mince. A une distance de 20 à 40 mètres un
camarade tient l'extrémité
préalablement humectée du fil
enroulé autour du doigt, dans le
conduit de l'oreille externe. L'expérience
réussit particulièrement
bien, lorsque celui qui parle se tient dans une chambre, et que le fil,
passant par la porte entr'ouverte, sans la toucher, est tendu jusqu'en
dehors de la chambre. Quand on parle dans le « cornet
», les mots sont
entendus distinctement à l'autre bout du fil.
N'allons cependant pas
croire que c'est d'une façon aussi simple que le son est
transmis par
les appareils de téléphone ; c'est le courant
électrique qui constitue
dans ce cas le moyen de transport du son.
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50
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142.
Le trombone à coulisse
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Chaleur et froid
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est
constitué d'un tube dans lequel la hauteur du son peut
être modifiée
par le déplacement rapide d'un piston. Nous pouvons ainsi
utiliser
notre tuyau sonore, pour accompagner une mélodie
facile.
143.
Le son préféré d'une boîte
en fer blanc
Si
nous appliquons une boîte en fer blanc vide sur notre
oreille, tout en
descendant la gamme sur le piano, nous remarquons qu'un son
déterminé
résonne particulièrement fort. Ce son est
apparemment celui que préfère
la boîte. Une petite boîte en fer blanc dans le
fond de laquelle on a
découpé une grande ouverture, et dans le
couvercle une petite
ouverture, « préfère » un
autre son. Les hauts-parleurs de la radio ont
parfois aussi une « préférence
» marquée pour certains sons qu'ils
rendent puissamment, tandis qu'ils en négligent d'autres.
144.
Le piano qui chante
Si
vous possédez un piano, vous soulèverez le
couvercle de l'instrument,
et verrez les nombreuses cordes à
l'intérieur. Nous allons constater
que l'on peut faire produire des sons aux cordes, simplement en
chantant devant elles. Pour que les cordes puissent vibrer librement,
il faut d'abord appuyer sur la pédale. Si l'on
émet un son puissant
dans le piano ouvert, et que l'on écoute ensuite
attentivement, on
entend exactement le même son partant des cordes. En
lâchant la
pédale, le son s'éteint ; en rabaissant la
pédale et en émettant un
autre son, les cordes le répètent. Ce sont
toujours les cordes qui
correspondent au son émis qui vibrent et
répètent ce son ; les autres
cordes restent muettes.
|
145.
Petite flamme, grande flamme
Quand
on tire un long bout de mèche hors de la lampe à
alcool, celle-ci brûle
avec une grande flamme, mais lorsque la mèche
dépasse à peine
l'ouverture du couvercle, la flamme est petite. Quelle est la flamme la
plus chaude, la grande ou la petite ?
Apparemment
la grande flamme devrait être plus chaude que la petite ;
nous pouvons
cependant nous convaincre qu'elles sont toutes les deux aussi chaudes.
Si nous tenons dans chacune des deux flammes un fragment de fil de fer
mince, il devient incandescent. Les flammes ont la même
température, ce
qui n'exclut pas que la grande dégage une plus grande
quantité de
chaleur. On s'en rend compte quand on chauffe de l'eau dans un
récipient sur la petite puis sur la grande flamme : sur la
grande
flamme l'eau est chaude plus rapidement.
146.
Un appareil basé sur la dilatation
Plaçons
le socle en hauteur, comme indiqué sur le dessin ci-contre
et posons le
sur la table. Puis plaçons à une certaine
distance, une caissette à
cigares appropriée. La tige du piston de pompe
appuie sur le socle et
sur la caissette. Sur un clou sans tête, montons une bande de
carton de
1 cm de largeur et de 8 cm de longueur, coupée en pointe
à l'une de ses
extrémités. Ce clou est placé sur la
face supérieure du socle, et
supporte une des extrémités de la tige du
piston ; l'autre extrémité
est coincée sous un corps pesant qui empêche tout
déplacement. Si nous
poussons très légèrement la tige, le
clou sans tête se déplace et
entraîne l'aiguille. Donnons à l'aiguille une
position verticale et
chauffons la tige métallique avec la lampe à
alcool. Nous voyons
bientôt l'aiguille tourner lentement. Sous l'effet de la
chaleur la
barre s'est allongée, elle s'est dilatée. Tous
les corps se dilatent
sous l'influence de la chaleur. Au bout d'un certain temps
l'aiguille
revient en arrière. Les corps se contractent
lorsqu'ils refroidissent.
Si la même expérience est
réalisée en utilisant une aiguille à
tricoter
en acier au lieu d'un piston de pompe en cuivre, nous constaterons que
l'acier ne se dilate pas autant que le cuivre.
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147.
Rails de chemin de fer et fils téléphoniques
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lique
15 comportant une gorge pour ficelle. Le disque est ensuite
glissé sur
un clou introduit dans le trou supérieur de la
tringle-support.
Un
fil avec un nœud coulant est enfin fixé
à l'extrémité de la lame
bimétallique Le fil passant sur la roue
métallique, on attache à son
extrémité un petit objet faisant office de poids.
Les légers mouvements
de la lame sont dorénavant indiqués par
l'aiguille et sont ainsi
visibles à distance. Un indicateur circulaire fait
de papier glacé
donnera davantage l'impression d'un instrument
réservé à des fins
scientifiques.
|
|||
La
dilatation par la chaleur peut s'observer aussi sur les fils
téléphoniques et les rails de chemin de fer. En
été les fils
s'allongent et pendent entre les poteaux ; en hiver ils sont mieux
tendus. Entre les rails il y a toujours de petits espaces.
Ceux-ci
sont plus étroits en été qu'en hiver.
Ici encore
nous
constatons que les fils de cuivre ont une plus grande dilatation que les
rails
en acier.
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150.
De l'eau à l'étroit
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148.
Le dilemme des lames bimétalliques
Une
lame bimétallique est fabriquée en
plaçant deux feuilles de métal
différent l'une sur l'autre et en les soumettant
à une forte pression
de telle sorte qu'elles deviennent plus minces et qu'elles ne peuvent
plus être séparées. Les faces
supérieure et inférieure de ce genre de
lame n'offrent donc pas le même aspect. Une lame
bimétallique cuivre et
fer pose, en conséquence, un dilemme lorsqu'on la soumet
à la chaleur.
Le cuivre qui se dilate plus que le fer, tend à vouloir
s'étendre
davantage que ce dernier. Or ceci n'est possible que si la lame se
courbe, puisqu'en effet la distance du
côté extérieur d'une courbe,
comme sur une route, est plus grande que la distance du
côté intérieur.
Nous
fixons la lame bimétallique sur le socle entre deux
écrous ronds, et
nous la chauffons avec une allumette, tout en prenant soin de ne pas la
mettre directement au contact de la flamme. Nous observons
alors que
la lame se courbe d'un côté. Si nous
répétons l'expérience en
retournant la lame, nous constatons que, par rapport au socle, elle se
courbe de l'autre côté.
|
Remplissons
l'éprouvette d'eau jusqu'au bord et coiffons-la
avec le bouchon de
liège portant le long tube de verre. L'eau
déplacée par le bouchon
pénétrera probablement dans le tube de
verre jusqu'à une certaine
hauteur. Marquons le niveau de l'eau par un petit anneau
découpé dans
le tuyau de caoutchouc. Quand l'éprouvette est bien
sèche à
l'extérieur, nous la présentons à la
flamme. Nous voyons alors l'eau
monter dans le tube. Sous l'effet de la chaleur elle s'est
dilatée.
Elle avait besoin d'un espace plus grand et elle est montée
dans le
tube.
|
|||
151.
Nous construisons un thermomètre
Réalisons
encore une fois notre appareil de dilatation, mais
remplaçons la grande
éprouvette par la petite, que nous avons utilisée
comme plongeur dans
une expérience antérieure. Mettons de
côté le petit bouchon perforé et
le clou. Nous employons ici le long tube de verre à paroi
épaisse, et
sur l'une de ses extrémités nous glissons un
segment de 1 cm du tuyau
de caoutchouc ; si nous mouillons le verre, le caoutchouc glisse mieux.
Plaçons le tube avec le segment de caoutchouc dans la petite
éprouvette. Le caoutchouc sert ici de bouchon, et doit
être absolument
étanche. Nous remplissons le petit verre avec de l'eau dans
laquelle a
été dissoute une certaine quantité de
sel de cuisine, et nous rendons
le liquide plus visible, en ajoutant quelques gouttes d'encre rouge ou
noire. L'eau salée a l'avantage de ne pas se congeler
très facilement,
et elle ne
|
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149.
Un thermomètre cadran
|
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comme
on peut le voir sur le réservoir d'eau chaude du chauffage
central par
exemple, contient toujours une lame bimétallique. La
dilatation de
celle-ci est transmise à un disque, sur lequel est
fixée une aiguille.
Nous allons réaliser un thermomètre-cadran en
collant d'abord une
aiguille sur le disque métal-
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55
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bout
pas aussi facilement que l'eau ordinaire. Glissons encore deux petits
anneaux de caoutchouc sur le tube de verre.
Fixons
à présent la bouteille d'aluminium, à
l'aide du cercle métallique, aux
deux tiges métalliques coudées,
montées sur le socle. Plaçons la lampe
à alcool sous la bouteille et chauffons l'eau
jusqu'à ébullition. Nous
introduisons alors notre appareil à dilatation dans la
bouteille. L'eau
s'élève jusqu'à un point
déterminé. Même en prolongeant
la durée de
l'é-bullition l'eau ne monte pas plus haut ; le point
qu'elle atteint
est appelé point d'ébullition ; nous le marquons
avec les anneaux de
caoutchouc. Plaçons ensuite notre appareil dans le
récipient de verre,
où nous avons mis soit de la neige, soit de la glace
concassée. Nous
voyons l'eau descendre dans le tube, pour s'arrêter
à un point
déterminé, que l'on appelle point de fusion de la
glace, et que nous
marquons par l'autre anneau de caoutchouc. Plus tard, quand,
dans
notre appareil, nous verrons l'eau s'arrêter à
l'un de ces points, nous
saurons que la température est celle de la glace
fondante ou de
l'ébullition. Ainsi, notre petit tube de verre muni d'un
récipient plus
large est devenu un instrument permettant de mesurer la
température.
C'est un thermomètre.
Nous
mesurons l'espace entre le point de fusion de la glace et le point
d'ébullition, et nous déterminons la
distance qu'il faudrait observer
entre deux traces consécutives, si nous voulions, comme
c'est
généralement le cas, partager cet espace en 100
degrés.
|
153.
Main froide et main chaude
|
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Nous
versons dans l'éprouvette la quantité d'eau
nécessaire pour remplir la
concavité du fond, puis nous la fermons avec un bouchon
pourvu du long
tube de verre à paroi mince. Introduisons une grosse goutte
d'eau dans
le tube. Nous y parvenons facilement en tenant l'éprouvette
avec le
tube en bas. En enfonçant le bouchon un peu plus
profondément, une
goutte d'eau est chassée dans le tube. Elle doit servir
à limiter
l'espace d'air dans l'éprouvette. Jusqu'à
présent nous n'avons tenu
l'éprouvette que tout près du bouchon. Maintenant
nous la saisissons,
dans la position horizontale, avec toute la main, et nous remarquons
que la goutte d'eau se déplace vers la sortie du tube. Quand
on retire
la main, elle revient en arrière. La chaleur de la main est
suffisante
pour déterminer la dilatation que nous constatons. Nous
pouvons
observer une différence appréciable, selon que
nous saisissons le verre
avec la main chaude ou avec la main glacée.
|
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154.
Une roue éolienne
Faisons
de notre disque métallique une petit roue
éolienne, en le coupant
comme le montre la figure ; relevons ensuite obliquement les
ailes.
Posons cette
petite
roue sur la pointe d'une épingle, que nous avons
fixée avec un
élastique au gros tube de verre monté
verticalement sur le socle.
L'expérience ne réussira que si toutes
les ailettes de la petite roue
ont été recourbées
légèrement vers le bas, comme pour en faire un
chapeau aplati. Qu'arrive-t-il lorsque nous introduisons le tuyau de
caoutchouc dans l'ouverture inférieure du tube, et
que nous y
insufflons de l'air ? La petite roue tourne.
Qu'arrive-t-il
quand nous plaçons une allumette enflammée sous
l'ouverture du tuyau ?
La petite roue tourne également ce qui montre que l'air
s'élève sous
l'effet de la chaleur.
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152.
Des bulles d'air
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Remplissons
d'eau, presque totalement, notre récipient de verre et
introduisons
dans l'eau l'embouchure de l'éprouvette, tenue obliquement,
afin que
l'air contenu dans l'éprouvette ne puisse
s'échapper. Que se passe-t-il
quand nous chauffons la partie supérieure de
l'éprouvette avec une
allumette ? Les bulles d'air qui s'échappent de
l'éprouvette nous
montrent que l'air aussi se dilate sous l'influence de la chaleur, et
même dans une plus forte mesure que l'eau.
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155.
Le serpent qui danse
Plaçons
le socle sur le fourneau, sans le tube, mais
équipé de la roue éolienne
montée sur la pointe d'une épingle. Ici encore la
roue tourne, ce qui
nous prouve qu'il y a un courant d'air ascendant au-dessus du
fourneau.
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57
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Nous
pouvons aussi découper le serpent de papier, dans la planche
à la fin
du livre, et poser son centre sur la pointe d'un clou sans
tête. Placé
au-dessus du fourneau ou d'une flamme, il tourne joyeusement.
156.
Chauffage à l'eau chaude
Nous
allons monter un appareil intéressant, comprenant la
bouteille
d'aluminium, coiffée du bouchon à deux
trous traversé d'une part par
le tube de verre à paroi mince, allant presque jusqu'au fond
de la
bouteille, et d'autre part par un tube de verre court. Le petit tube
porte un bout de tuyau de caoutchouc
muni
de la trompe à eau. Sur la partie
supérieure de la trompe à eau, nous
adaptons le large tuyau de caoutchouc de manière
à en faire un
entonnoir. Le tube latéral de la pompe est relié
au gros tube de verre
par un petit bout de tuyau de caoutchouc, le tube de verre
coudé et un
bouchon de liège, alors que
l'extrémité inférieure du
gros tube de
verre est reliée au long tube de verre de la bouteille
d'aluminium par
un bouchon, le tube de verre recourbé en crochet et
le tuyau de
caoutchouc. Remplissons maintenant l'appareil d'eau, que nous avons
préalablement fait bouillir, et qui ne contient par
conséquent plus de
bulles d'air qui nuiraient à la circulation. Soulevons le
bouchon
supérieur du gros tube de verre et versons de l'eau
jusqu'à ce qu'elle
s'écoule du tube coudé. Remettons le
bouchon avec le tube coudé en
place, et versons encore un peu d'eau dans le large tuyau de caoutchouc
qui surmonte la trompe à eau. En inclinant l'appareil et en
comprimant
le long tuyau de caoutchouc, on chasse les bulles d'air qui peuvent
encore se trouver dans les tubes de verre. Si l'on allume alors la
lampe à alcool et qu'on la place sous la bouteille, l'eau
chauffée
s'élève dans le tube de verre court, passe dans
le tube coudé, le gros
tube de verre et retourne, par le tuyau de caoutchouc, dans la partie
inférieure de la bouteille. La circulation devient visible
si l'on
ajoute par exemple à l'eau, des miettes de pain, que l'on
obtient
facilement en frottant l'une contre l'autre deux tranches de pain bien
sec. L'eau ne doit jamais être portée à
ébullition ; pour ce faire on
enlèvera tout simplement la lampe à alcool.
Dans
les chauffages centraux à eau chaude l'eau circule de la
même manière.
Le gros tube de verre représente le radiateur ; sa
température sera
bientôt assez élevée pour que nous
puissions nous y chauffer la main.
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157.
Un glaçon dans de l'eau bouillante
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est
vraiment quelque chose de surprenant. C'est cependant
réalisable en
versant dans l'éprouvette, jusqu'à 1 cm du bord,
de l'eau glacée à
laquelle nous ajoutons un fragment de glace, que nous
alourdissons par
un petit caillou, pour qu'il ne puisse pas monter à la
surface.
Chauffons maintenant l'éprouvette à sa
partie supérieure, jusqu'à ce
que l'eau soit en ébullition. Veillons à ce que
nous ne chauffions que
l'eau, et non pas la limite entre l'air et l'eau, sinon
l'éprouvette
sauterait, par suite de l'inégalité de la
répartition de la chaleur.
L'eau émet des vapeurs et bout dans sa partie
supérieure, tandis que la
glace, dans la partie inférieure, reste intacte.
Comme l'eau chaude
est plus légère et monte toujours dans la partie
supérieure, l'eau de
la région inférieure reste froide comme au
début.
158.
Une marmite en papier
nous
paraît aussi difficilement réalisable que la glace
dans l'eau
bouillante ; cependant, comme nous le montre la figure, nous
pouvons
facilement chauffer de l'eau jusqu'à ébullition
dans du bon papier à
lettre, plié en entonnoir, et ce sans le brûler,
aussi longtemps que la
flamme ne chauffe que la partie du papier refroidie par l'eau froide.
Découpons un cercle de papier, de 20 cm de
diamètre et plions-le deux
fois par la moitié, pour obtenir un quart de cercle. Nous
l'ouvrons
pour en faire un cornet, de manière telle que le papier soit
triple
d'un côté et simple de l'autre.
159.
Le fil à coudre incombustible
Faisons
le pari que nous allons mettre un fil à coudre ordinaire,
pendant des
minutes, dans la flamme sans le brûler. La chose est
possible, si nous
enroulons étroitement le fil sur le tuyau
métallique ; le métal prend
alors au fil toute la chaleur que lui communique la flamme et
l'empêche
de brûler.
160.
Surfusion
Dans
toutes les pharmacies on peut acheter de l'hyposulfite de soude. Nous
en versons 3 cm dans l'éprouvette et le chauffons
à la flamme en tenant
l'éprou-
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vette
à l'aide d'une forte bande de papier. Le sel se
liquéfie et fond. Ceci
n'a rien de surprenant ; la chaleur fait fondre presque toutes les
substances. En refroidissant elles se figent, et redeviennent solides.
Plaçons l'éprouvette dans un récipient
contenant de l'eau froide, afin
qu'elle se refroidisse plus rapidement. 5 minutes suffisent
pour que
le refroidissement escompté se réalise. Mais
même si nous attendons une
heure le sel ne se solidifie pas, il reste liquide. Apparemment il a
oublié qu'à cette tempértature, il
devrait être solide depuis longtemps.
Nous
allons le sortir de son oubli et lui redonner son aspect primitif en
jetant dans le liquide un grain de sel que nous avions mis de
côté au
début de l'expérience. Il se passe alors
quelque chose de surprenant.
Tout le liquide se solidifie en quelques secondes, et nous
avons de
nouveau une masse solide comme au début. Et, chose
extraordinaire le
verre qui était froid devient soudainement très
chaud ! La chaleur qui
avait été nécessaire à la
fusion est restituée par le sel qui se
solidifie.
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La
force de la vapeur
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162.
De la vapeur
Montons
la bouteille contenant 2 cm d'eau au moyen du cercle
métallique et de
la vis de liaison sur les deux tiges métalliques
coudées, fichées dans
le socle. La bouteille est fermée par un bouchon que
traverse le tube
de verre à paroi épaisse. Quand la bouteille a
été chauffée pendant
quelques minutes sur la lampe à alcool, la vapeur fuse en un
jet
puissant. Nous pouvons diriger ce jet sur notre petite roue
éolienne et
celle-ci se met à tourner.
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161.
Le récipient fixé par congélation
Remplissons
la moitié de notre bouteille d'aluminium avec de la glace ou
de la
neige, et plaçons-la sur la table, à un endroit
où nous avons versé
auparavant un peu d'eau. Si nous ajoutons une petite poignée
de sel de
cuisine à la glace de la bouteille, et que nous remuons
vigoureusement
le mélange avec une baguette, la glace fond et le
sel se dissout dans
l'eau. Mais cette transformation exige tant de chaleur que le
récipient
se fixe à la table par congélation,
même dans une chambre chauffée.
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163.
Un tuyau sonore fonctionnant à la vapeur
Fixons
le tuyau sonore au support à l'aide de la pince et du coin
et tenons-le
dans le jet de vapeur ; nous pouvons ainsi provoquer
l'émission d'un
son. L'extrémité du tuyau doit être
fermée par un bouchon. Il faut
chercher la position la plus favorable par tâtonnement.
Attention, le
tuyau devient très chaud !
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164.
Le carrousel à vapeur
est
une invention très ancienne. Il fut imaginé il y
a 2.000 ans par le Grec
Héron.
Plaçons une petite poulie de bois dans la lampe
à alcool, munie d'une
clou moyen. Ce clou passe à travers la mèche de
la lampe. Notre
bouteille d'aluminium a un petit renfoncement dans le fond, et
nous y
appliquons la pointe du clou. Sur la bouteille nous mettons un bouchon
avec le tube de verre court et le tuyau de caoutchouc. La bouteille est
encore pourvue d'un guide en fil de fer fort et recourbé,
qui entoure
le tube de verre. L'extrémité du tuyau de
caoutchouc est fermée par le
petit bouchon de liège. Comme le montre le dessin, le tuyau
de
caoutchouc est arqué en demi-cercle, et maintenu dans cette
position
par un petit fil métallique ; à 1 cm de son
extrémité, on pratique un
petit trou latéral de 1 mm environ, au moyen de ciseaux fins
ou d'un
couteau, de telle sorte que
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le
jet de vapeur puisse s'échapper horizontalement et de
côté. La
bouteille contient 3 cm d'eau. Plaçons-la sur la flamme.
Dès que la
vapeur s'échappe, la bouteille commence à tourner
assez rapidement.
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168.
L'alcool récupéré
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Mélangeons
dans le récipient de verre une demi-éprouvette
d'eau et une même
quantité d'alcool. Essayons ensuite d'allumer le
mélange. Il ne brûle
pas, parce qu'il contient trop d'eau. Versons-le dans la bouteille pour
le transformer en vapeur, et refroidissons celle-ci dans l'appareil
refroidisseur : nous obtenons de nouveau de l'alcool pur. L'alcool bout
à 78°, et non à 100° comme l'eau
; il se transforme par conséquent le
premier en vapeur. Ce n'est que plus tard que l'eau passe à
l'état de
vapeur. Le liquide qui tombe goutte à goutte peut de nouveau
être
allumé ; c'est donc de l'alcool non dilué.
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165.
Transformons de la vapeur en eau
Nous
faisons passer la vapeur dans le gros tube de verre monté
sur le
support ; nous remarquons que des gouttes d'eau se forment et coulent
sur les parois. La vapeur a abandonné sa chaleur au tube de
verre, et
s'est transformée de nouveau en eau. Par contre, le tube
s'est
échauffé, comme nous pouvons le constater en le
touchant. Dès que le
tube est chaud, il ne peut plus prendre de chaleur à la
vapeur, et
celle-ci ne peut plus se transformer en eau.
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169.
La vapeur doit travailler
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L'éprouvette
contient un peu d'eau. Vissons deux écrous ronds sur la tige
de la
pompe en ménageant un petit espace entre eux ;
enroulons dans cet
espace du fil de coton pour constituer un piston glissant exactement
dans l'éprouvette ; enfonçons ce piston
jusqu'au contact de l'eau. Le
bouchon perforé sert de guide à l'embouchure de
l'éprouvette. Nous
chauffons l'eau jusqu'à ébullition en tenant
l'éprouvette avec une
bande de papier plié. Dès qu'il se produit de la
vapeur, celle-ci
chasse le piston vers l'embouchure ; si l'on écarte alors
rapidement
l'éprouvette de la flamme ; le piston revient
jusqu'à l'eau.
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166.
Un appareil amélioré pour la production de l'eau
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Fabriquons
un tube refroidisseur au moyen du long tube de verre à paroi
mince, du
bouchon à un trou et du gros tube de verre. Relions ensuite
le tuyau de
caoutchouc du générateur de vapeur au tube de
verre, et plaçons sous
celui-ci le capuchon de la lampe à alcool. Avant de chauffer
l'eau de
la bouteille, nous remplissons l'espace entre le gros tube et le tube
de verre étroit, avec de l'eau froide. La vapeur se
transforme d'une
façon continue en eau, jusqu'à ce que l'eau de
refroidissement se soit
réchauffée.
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170.
Une machine à vapeur simple
Adaptons
le tuyau métallique au support au moyen de la pince de
support, le trou
carré étant à la partie
supérieure, et introduisons le piston dans le
tuyau. La partie inférieure est fermée par le
bouchon de caoutchouc à
deux trous ; passons dans l'un de ceux-ci le tube de verre court et un
tuyau de caoutchouc ; enfonçons dans l'autre le
tube de verre recourbé
en crochet. Les deux tubes sont enfoncés
suffisamment pour dépasser le
trou transversal du bouchon. La bouteille d'aluminium sert de
chaudière ; elle est montée sur les deux
tiges métalliques coudées,
fixées dans le socle, et elle est immobilisée par
la bande de tension
au moyen de la vis de liaison bien serrée. Dans la bouteille
il y a 3
cm d'eau. Un bou-
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167.
De l'eau purifiée
Versons
de l'eau jusqu'à mi-hauteur dans notre récipient
de verre. Cette eau
aura été au préalable
légèrement troublée avec du sable.
Ajoutons-y
deux à trois gouttes d'encre qui la noircissent.
L'adjonction d'une
pincée de sel de cuisine lui donne une saveur
salée, de sorte que
personne ne voudrait goûter ce mélange infect.
Versons cette eau sale
dans la bouteille d'aluminium, relions celle-ci à l'appareil
refroidisseur et chauffons. L'eau passe à l'état
de vapeur, puis de
nouveau à l'état liquide. Nous sommes supris de
voir que l'eau obtenue
est absolument pure. Cette transformation en vapeur, suivie
immédiatement de la condensation de la vapeur, est
appelée
distillation. Ainsi, en partant d'une eau très sale, on peut
tirer de
l'eau pure, de l'eau distillée. Malgré sa
pureté, cette eau ne serait
pas propre à la consommation ; elle serait même
nuisible.
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chon
traversé par le tube de verre court et le tuyau de
caoutchouc
conduisent la vapeur, par le tube de verre recourbé, au
tuyau du
piston. Chauffons l'eau. Dès que la pression de la vapeur
est
suffisante, on pince alternativement le tuyau d'amenée de la
vapeur,
puis le tuyau d'échappement, en se protégeant les
doigts avec un
chiffon. Le piston se meut alors de bas en haut et de haut en bas. Il
ne faut pas serrer les tuyaux de caoutchouc trop longtemps, sinon la
vapeur qui ne pourrait pas s'échapper, chasserait le bouchon
de la
chaudière. Il faut en outre manœuvrer avec
prudence, en évitant tout
contact avec les parties brûlantes de la machine et en
veillant à ce
que nos doigts ne soient pas atteints par de la vapeur très
chaude, qui
pourrait s'échapper par un joint imparfait.
171.
Nous perfectionnons la machine
par
une espèce de robinet à deux voies qui doit
servir à relier
alternativement notre cylindre à vapeur au tuyau de
caoutchouc d'amenée
et à celui d'échappement. L'arbre de
notre machine à vapeur, avec son
palier, est en son genre un robinet à deux voies.
Ce robinet comprend
un tube court de laiton et une tige cylindrique à
perforations
bilatérales. Passons le tube de laiton à travers
le trou transversal
du bouchon de caoutchouc, de telle sorte que les perforations
du tube
correspondent aux perforations longitudinales du
bouchon. L'arbre
s'adaptant à l'intérieur du tube est
perforé obliquement. Glissons le
disque métallique avec gorge de poulie sur
l'extrémité de l'arbre et
immobilisons-le au moyen d'un écrou rond, de
façon telle que les petits
trous du disque soient perpendiculaires à la perforation de
l'arbre.
Adaptons maintenant le bouchon de caoutchouc, avec le robinet
à deux
voies, à l'orifice inférieur du cylindre. Le
bouchon est pourvu du
tuyau de caoutchouc et du tube coudé. Tournons le robinet
dans la
position représentée par la figure. Insufflons
avec la bouche de l'air
dans le tuyau : le piston se soulève. Quand nous faisons
tourner le
robinet d'un demi-tour, le piston descend. Ramenons le robinet dans le
même sens, et le piston s'élève et
s'abaisse alternativement après
chaque demi-rotation de l'arbre.
Nous
allons utiliser maintenant la vapeur produite par la
chaudière. Pour ce
faire, relions le long tuyau de caoutchouc du robinet à deux
voies à la
chaudière. La liaison s'effectue facilement par le
tube de verre
recourbé. En tour-
|
nant
régulièrement le robinet, nous
déterminons alternativement la montée et la
descente du piston.
Chaque
fois que le piston est en haut, le robinet doit être
fermé, et
inversement, lorsqu'il est en bas, le robinet doit
être ouvert.
172.
Amenée automatique de la vapeur
Tourner
le robinet de façon continue et automatique est lassant.
Aussi
allons-nous relier la poignée du robinet à la
tige du piston, si bien
que le robinet s'ouvrira et se fermera automatiquement au moment voulu.
Dans la première machine à vapeur le robinet de
distribution de la
vapeur était bien en réalité,
actionné à la main. Réalisons un
montage
qui actionne automatiquement le robinet, en utilisant
l'étrier de fil
de fer prévu à cet effet. Passons-le dans
l'œil à l'extrémité
supérieure du piston ; ses extrémités
sont introduites, l'une dans le
petit trou latéral du disque métallique,
l'autre dans celui de la
grande poulie que nous avons adaptée comme volant sur
l'arbre du
robinet à deux voies. Attention en
procédant à ce montage ! Les petits
trous doivent coïncider parfaitement avant de visser
l'écrou rond à
fond. La liaison entre le piston et le robinet est établie
et la
position exacte des ouvertures du robinet assurée. Avant de
relier
notre montage à la conduite d'amenée de la
vapeur, versons quelques
gouttes d'huile de machine dans le cylindre, afin de faciliter
le
glissement du piston. Quand la vapeur commence à jaillir,
nous
essayons de faire marcher la machine. La vapeur agit ; le
piston se
soulève, l'étrier emmène la roue et le
piston retombe par son propre
poids, parce que la vapeur est coupée dans le distributeur
de vapeur. A
peine le piston est-il arrivé au bas de sa course,
que le distributeur
s'est de nouveau ouvert, et une nouvelle poussée de vapeur
chasse
rapidement le piston vers le haut. Ainsi se succèdent
rapidement les
ouvertures et fermetures du robinet, et par conséquent la
montée et la
descente du piston. La roue tourne rapidement et la vapeur
s'échappe en
haletant par le tuyau d'échappement.
La
machine ne peut malheureusement pas se mettre en marche toute seule, il
faut la « lancer », mais ceci ne diminue en rien
notre joie de la voir
marcher. Nous pouvons encore passer une ficelle sur la roue de
transmission intérieure jusqu'à une petite
machine, qui sera donc mue
par la force de la vapeur.
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175.
Notre modèle se déplace par sa propre force
Maintenant
notre petit Physicien est à son apogée. Sa
machine à vapeur va se
déplacer toute seule. Pour ce faire, nous la
complétons par nos trois
petites poulies, en guise de roues. Les axes des roues
arrière sont
simplement des clous courts sans tête. La roue avant est
montée sur le
clou coudé, qu'il faut enfoncer assez
profondément, pour qu'il ne
tourne pas. Passons à présent un
élastique sur la petite roue motrice
de la machine à vapeur et dans la gorge de la roue avant.
Soulevons
tout d'abord de la table la roue avant, en glissant sous la machine le
fléau de la balance, posé sur sa face
longitudinale étroite. La
machine a donc besoin de moins de force pour démarrer. Quand
nous
jugeons qu'elle en a suffisamment, nous renversons le fléau
de balance
sur sa face longitudinale large, et nous le tirons rapidement. Notre
machine commence à se déplacer en haletant ! Sur
une surface raboteuse
elle ne pourra pas avancer facilement. Sur un plan
légèrement incliné,
elle préférera les descentes aux
montées.
Avec
un peu d'habileté, il est possible de faire marcher la
machine en
arrière. Il suffit d'adapter le tube de verre
recourbé de la conduite
d'amenée, dans le trou
du bouchon de caoutchouc qui constituait
jusqu'à présent l'échappement. Et
maintenant, jeunes expérimentateurs,
sachez que cette machine a été
imaginée de toutes pièces, il y a de
nombreuses années, par le père des Petit
Electricien, Petit Chimiste,
Jeune Radio, Opticien-Photographe et Petit Biologiste, lorsqu'il avait
13 ans, et il aimerait aujourd'hui que vous éprouviez le
même plaisir
que lui à ce moment là.
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Disque stroboscopique pour
l'expérience 55
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Serpent de papier pour
l'expérience 155
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Pour l'expérience 86
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Disque stroboscopique pour
l'expérience 56
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Disque stroboscopique pour
l'expérience 58
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Copyright
1962 by Jouets GéGé, sté G. Giroud & Cie,
Montbrison, France. licence de Kosmos, Stuttgart. (www.kosmos.de)
Traduction de la 19ème édition allemande par René-Albert Beaume |
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