Question centrale

Quel est l'impact de la température sur la viscosité des fluides classiques ?

Matériel requis

• Du shampoing transparent ou légèrement coloré (à température ambiante)
• Une bouteille de plastique transparent d'une contenance de 444 ml environ avec bouchon [Remarque : utilisez, si vous préférez, deux bouteilles plastiques de shampoing bon marché.]
• Un chronomètre d'une précision de 0,1 ou 0,01 seconde
• Des petites billes de verre pouvant passer par le goulot de la bouteille
• Un feutre à encre indélébile
• Une règle
• De l'eau chaude (l'eau chaude du robinet fait l'affaire)
• Un récipient suffisamment large pour y allonger la bouteille
• De l'eau froide
• Des glaçons
• Des serviettes en papier
• Des lunettes de sécurité
• Un thermomètre (facultatif)
• Un tableau comme celui représenté ci-dessous pour noter vos résultats

Idées principales et notions de base

• La viscosité est la propriété des fluides à résister à l'écoulement. Les liquides épais, tels que le shampoing et le sirop de glucose, sont plus visqueux que l'eau.
• La température joue sur la viscosité de la plupart des liquides classiques. Lorsque la température augmente, le liquide devient généralement plus fluide et coule plus facilement. A l'inverse, lorsque la température décroît, le liquide s'épaissit et ne coule plus si facilement.

Conseils sur le déroulement de l'expérience

• Vérifiez que les élèves ont bien tracé deux lignes tout autour de la bouteille. Pour obtenir une mesure précise du temps, ils devront aligner leur regard sur chaque ligne de façon à ne voir plus qu'un unique trait droit. Notez la position de l'appareil photo pour chaque photo de l'étape 4, pour la ligne du bas et du haut.
• Si les élèves ont choisi d'utiliser deux bouteilles de shampoing bon marché, ils peuvent alors lâcher la bille à l'intérieur de l'une des bouteilles, puis la remplir à ras bord avec la seconde bouteille plutôt que d'utiliser une bouteille vide.
• Pour que les résultats soient cohérents entre eux, les élèves doivent lâcher la bille bien au-dessus du goulot. Ainsi, il est plus probable que la bille tombe au centre du shampoing. En effet, si la bille tombe le long de la paroi de la bouteille, les résultats risquent de n'être pas homogènes.
• L'eau chaude tirée du robinet suffit généralement à réchauffer le shampoing. La bassine doit être suffisamment remplie d'eau pour recouvrir au maximum la bouteille. Sur la photo illustrée à l'étape 6, l'eau chaude ne recouvre pas entièrement la bouteille. Toutefois, vous pouvez retourner régulièrement la bouteille pour mieux répartir la chaleur dans le shampoing.
• L'eau glacée est un bon moyen de refroidir le shampoing. Ajoutez des glaçons non fondus dans la bassine. Remuez lentement l'eau pour répartir l'eau froide tout autour de la bouteille.

Discussion

1. Pourquoi l'augmentation de la température de l'eau a-t-elle eu un impact sur le temps mis par la bille pour tomber au fond de la bouteille ? Que s'est-il produit avec l'eau froide ?
2. Comparez les données de chaque essai et pour chaque température. Qu'observez-vous ? Comment pourriez-vous expliquer ces écarts ? [Recherchez les causes du côté du chemin suivi par la bille en tombant. Nous avons, par exemple, constaté que la vitesse de la bille était plus lente lorsque la bille descendait près de la paroi de la bouteille. Nos résultats se sont avérés nettement plus homogènes lorsque la bille était lâchée au centre de la bouteille. Le démarrage et l'arrêt du chronomètre sont également une autre source d'incohérence. L'élève chargé de le déclencher doit être très attentif et conserver la même technique à chaque essai.]
3. Etudiez vos données. Que pensez-vous qu'il se passerait si la température du shampoing était plus chaude ? Et avec une température encore plus froide que celle de l'eau glacée ?
4. En quoi cette activité peut-elle être utile ? [Les élèves peuvent réchauffer leur miel ou sirop de glucose pour le verser plus facilement.]

Evaluation

Les élèves peuvent-ils maintenant expliquer le rôle de la température sur la viscosité des liquides classiques ? [Plus la température d'un liquide augmente, plus sa viscosité diminue, ce qui permet à un objet de se déplacer plus facilement à l'intérieur.]

Variantes et autres études

• S'il vous reste du temps, mesurez le temps de descente de la bille dans le shampoing chaud toutes les cinq minutes, jusqu'à ce que le shampoing atteigne la température ambiante. Tracez les mesures sur un graphique et commentez les résultats obtenus. Répétez cette opération en partant d'un shampoing froid et en le laissant se réchauffer à température ambiante.
• Le sirop de glucose est très prisé pour ce genre d'expériences en classe, car il est facile de s'en procurer à un prix raisonnable. Par quels autres liquides pourriez-vous le remplacer pour obtenir des résultats similaires ? Elaborez votre propre expérience afin de trouver la réponse. [Pensez à des liquides épais utilisés en cuisine, comme l'huile végétale, le sirop d'érable, la mélasse, etc.]
• D'après vous, que se passerait-il si vous lâchiez une bille pesant la moitié du poids de la bille utilisée dans notre expérience ? …Et avec une bille deux fois plus lourde ? Elaborez votre propre expérience afin de tester vos hypothèses.
• L'huile pour moteur utilisée dans les voitures est souvent multigrade : c'est une huile particulière qui se fluidifie l'hiver et épaissit l'été. Prenons l'exemple de l'huile moteur 10W-30. Cette huile se comporte à l'inverse de tout ce que nous avons constaté dans notre expérience. Sauriez-vous expliquer pourquoi elle a été conçue ainsi ? [En hiver, la baisse des températures risquerait de rendre l'huile plus visqueuse, l'empêchant alors de lubrifier correctement les pièces du moteur. Or, en devenant plus fluide ou moins visqueuse sous des températures froides, l'huile est capable de lubrifier efficacement le moteur. De la même façon, en été, l'huile deviendrait trop fluide pour réussir à assumer son rôle de lubrification. Les ingénieurs du pétrole ont donc eu l'idée de concevoir une huile moteur dotée d'une viscosité optimale sous toutes les conditions de fonctionnement.]

Applications industrielles

• Développement et fabrication de produits comme :
  • les huiles minérales et les hydrocarbures ;
  • les produits cosmétiques et les médicaments ;
  • les aliments (miel, bière, gélatine, etc.) ;
  • les produits chimiques (polymères, solvants, résines, adhésifs) ;
  • les peintures, vernis, encres, laques ;
  • les détergents ;
  • les combustibles (carburant diesel, gaz/pétrole, kérosène) ;
  • les liquides automobiles et les liquides de refroidissement.
• Mise au point par les ingénieurs de l'industrie pétrolière de produits multigrades
• Industrie du papier (additifs, pigments, émulsions)
• Production du sirop d'érable (très prisé en Amérique du Nord)

Corrélations avec les standards éducatifs anglo-saxons

United States: Cet exercice rel¨¨ve de certaines parties de la norme NSES Content Standard A, Science as Inquiry et Content Standard G, History and Nature of Science, Grades 5-8 et 9-12 ainsi que des normes suivantes :

Grades 5-8
Standard B – Physical Science: B1, B2

Grades 9-12
Standard B - Physical Science: B2

Britain: Cet exercice rel¨¨ve de la norme anglaise relative ¨¤ l'enseignement Sc1, ? Science Enquiry ? ainsi qu'aux normes suivantes :

KS2, Sc3, 1a
KS2, Sc3, 13

Glossaire/vocabulaire

visqueux
viscosité

Liens

Geotechnical, Rock and Water Resources Library (en anglais)
Est-ce que l’eau chaude coule plus vite que l’eau froide ? Pour le savoir, tentez cette petite expérience interactive.

North American Maple Syrup Producers Manual (en anglais)
Ce site vous explique le rôle important de la viscosité dans la production d'un sirop d'érable de qualité. [Le terme « degrés Brix » se réfère généralement au pourcentage de sucre dissous dans une solution à une température standard de 20 °C.]

The Physics of Maple Syrup Making (en anglais)
The Physics of Maple Syrup Making Comment fabriquer du sirop d'érable à partir de données physiques et de la viscosité