Question centrale

Comment la viscosité d'un liquide affecte-t-elle la vitesse d'un objet tombant dans ce liquide ?

Matériel requis

• De l'eau
• De l'huile pour bébé (ou toute autre huile légère disponible dans le commerce)
• Du shampoing transparent ou légèrement coloré
• Une bouteille en plastique transparent d'une contenance de 444 ml environ avec bouchon
• Une cartouche de film plastique de 35 mm ou un petit objet similaire
• 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
• Des lunettes de sécurité
• Un tableau comme celui représenté ci-dessous pour noter vos résultats

Idées principales et notions de base

• La viscosité est la propriété des fluides qui produit leur résistance à l'écoulement. Les liquides épais, tels que l'huile et le shampoing, sont plus visqueux que l'eau.
• Un liquide visqueux ralentit le déplacement des objets qu'il contient. Plus un liquide est visqueux, plus il ralentit le déplacement des objets. Par conséquent, un objet se déplace plus facilement dans un liquide à faible viscosité, comme l'eau, mais se déplace plus lentement, par exemple, dans l'huile ou le shampoing qui sont deux liquides à viscosité plus forte.

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 7, pour la ligne du bas et du haut.
• A l'étape 4, lorsque les élèves tenteront de mesurer le temps mis par la bille pour tomber dans l'eau, aidez-les à se rendre compte qu'ils vont en fait mesurer leur propre temps de réaction. La bille tombe si rapidement dans un liquide non visqueux qu'il est impossible de mesurer le temps de descente à la main à l'aide d'un chronomètre.
• Pour donner une pente à la bouteille, comme demandé à l'étape 5, posez le bouchon sur un petit objet de façon à incliner légèrement la bouteille (à environ 10 degrés). La bille pourra ainsi rouler à une vitesse relativement lente et mesurable. (Remarque : Galilée a utilisé une technique comparable pour « diluer » l'accélération due à la gravité. Vous trouverez une description du plan incliné de Galilée aux pages 178 et179 de son ouvrage, Discours et démonstrations mathématiques concernant deux sciences nouvelles.)
• Pour obtenir les résultats les plus cohérents possible, les élèves doivent veiller à placer la bille toujours à la même position de départ (étape 6), avant d'incliner la bouteille (étape 7). Il est préférable de choisir une position de départ à un centimètre ou deux au-dessus de la première ligne pour laisser le temps à l'élève d'appuyer sur le chronomètre et rendre ainsi les mesures plus précises. 
• A l'étape 10, veillez à bien égoutter la bouteille d'eau avant de la remplir d'huile pour bébé.
• A l'étape 11 (facultative), le contraste avec le shampoing très visqueux est assez spectaculaire, en particulier si les élèves utilisent la même inclinaison de bouteille.

Discussion

1. Le temps mis par la bille pour descendre dans l'eau était-il similaire au temps mis par la même bille dans l'huile ? [La bille a mis plus longtemps à descendre dans l'huile que dans l'eau.]
2. Comment expliquez-vous cette différence ? (L'huile est plus visqueuse que l’eau. L’eau ne retient pas la bille autant.) 
3. Etudiez vos données. Que pensez-vous qu'il se passerait si l'angle d'inclinaison de la bouteille était plus pentu ? Ou moins pentu ? [Plus l'angle est pentu, plus la vitesse de la bille est rapide et plus le temps mis pour descendre est court. Avec une inclinaison faible, le temps sera plus long.]
4. En quoi cette activité peut-elle être utile ? [Les élèves peuvent constater la différence de force requise pour mélanger des liquides, en cuisine par exemple.]

Evaluation

Les élèves peuvent-ils maintenant expliquer le rôle de la viscosité d'un liquide sur la vitesse d'un objet tombant dans ce liquide ? (Un liquide à faible viscosité, tel que l’eau, freine très peu la descente d'un objet, alors que dans un liquide avec une viscosité plus importante, tel que l'huile ou le shampoing, l'objet rencontrera une plus forte résistance.)

Variantes et autres études

• Demandez aux élèves de renouveler l'expérience avec cette fois-ci :
  • d'autres liquides ;
  • une bille de taille différente ;
  • une bouteille de taille différente (avec une distance de descente différente) ;
  • des angles d'inclinaison différents.
• Avant que les élèves ne commencent ces nouvelles expériences, demandez-leur de deviner le résultat de chacune d'entre elles et d'expliquer leurs réponses. Ils devront ensuite comparer leurs estimations avec les résultats obtenus et argumenter les écarts éventuels constatés.

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; Sc4, 2b, c; BoS, 1a, c, d, 2a
KS3: Sc3, 1b; Sc4, 2a, b, c, d; BoS, 1a, d, e
KS4: Sc3, 2a; Sc4, 2a, e, h, l; BoS, 1a, d, e

Glossaire/vocabulaire

visqueux
viscosité

Liens

Hawai'i Space Grant College, Institut de Géophysique et Planétologie de Hawaï, Université de Hawaï (en anglais)
Ce site d'une fondation de la NASA dédiée à la recherche spatiale et à la formation des futurs ingénieurs explique brièvement comment déterminer la viscosité de la lave volcanique.

Laboratoire « Lab Dad's » (en anglais)
Ce site fournit une approche légèrement différente de la nôtre pour déterminer la viscosité des liquides.

Discovery Center Museum (en anglais)
Testez cette expérience amusante qui mesure la viscosité avec des bulles d'air.

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