M12 - Énergie cinétique, potentielle, mécanique

1 FLUIDIQUE EN TERMINALE STL
Expériences de cours et applications
Le cours de Fluidique de la classe de Terminale STL comporte des notions
assez difficiles à enseigner compte tenu de la complexité de ces notions,
de l'appareillage souvent lourd nécessaire pour les mettre en évidence et
de l'horaire limité consacré à ce cours.
L'expérience et l'observation de phénomènes réels doivent rester l'outil de
base de l'enseignement d'un physicien. C'est souvent grâce à une expérience
"spectaculaire" que l'on arrive à comprendre un phénomène difficile à
admettre par la seule réflexion.
D'autre part l'intérêt des élèves et leur motivation pour les Sciences
Physiques seront agrandis si on leur présente les applications pratiques
des notions étudiées et leurs conséquences dans le monde qui les entoure.
Cet article est une première contribution qui devrait permettre de
faciliter la tâche des collègues enseignant dans cette section.
Ils pourront trouver d'autres documents dans les pages Sciences Physiques
du serveur de l'académie de Nancy-Metz à l'adresse : http://www.ac-nancy-
metz.fr/enseign/physique/sc_index.htm
Il suffit de chercher dans physique ou tp physique ...
Un polycopié qui peut être considéré comme un support du cours de fluidique
de Terminale STL est disponible sur ce serveur.
D'autres documents (cours Mécanique et de Fluidique de première et de
terminale STL, notices de travaux pratiques de laboratoire) y seront
bientôt ajoutés.
N'hésiter pas à contacter les auteurs pour leur communiquer vos remarques,
questions, critiques constructives, compléments d'information... Bibliographie :
Mécanique 2 - AGATI (Dunod)
Mécanique expérimentale des fluides (3 tomes)( COMOLET (Masson)
Mécanique des fluides - HANAUER (Breal)
Mesure des débits et vitesses des fluides - LEFEBVRE (Masson)
Mécanique des fluides (cours et exercices résolus) - MEIER (Masson)
Mécanique des fluides appliquée - OUZIAUX (Dunod Universités)
Mécanique / Phénomènes vibratoires - PRUNET (Dunod)
La Mécanique des fluides - SALIN (Natan Universités) 2 Sur l'écoulement des fluides : aspirer en soufflant (effets
Coanda et Venturi)
1 Lévitation d'une balle
1 Dans un jet d'air Une balle de ping-pong reste en lévitation lorsqu'elle est placée dans
un jet d'air vertical provenant par exemple d'un sèche-cheveux. Si la balle
se déplace latéralement, la vitesse d'écoulement devient plus grande en A
qu'en B. La différence de pression pB(pA (>0) ramène la balle au centre du
jet assurant la stabilité de l'équilibre. On peut même incliner le jet d'un
angle assez grand (( 45 °) par rapport à la verticale sans que la balle ne
tombe. 2 Variante dans un entonnoir retourné Lorsque l'on place la balle de ping-pong sous un entonnoir retourné, en
soufflant assez fort et régulièrement dans l'entonnoir, on maintient la
balle "collée" sous ce dernier. La vitesse de l'air est plus grande au
dessus de la balle (A) qu'en dessous (B). La différence de pression pB(pA
(>0) produit sur la balle des forces pressantes dont la résultante est
dirigée vers le haut, plaquant la balle vers le fond de l'entonnoir.
2 Lévitation d'une feuille de papier Lorsqu'on souffle dans un entonnoir retourné sur une feuille de papier,
on arrive à soulever la feuille, ce qui est paradoxal puisque le jet est
soufflé vers le bas. Pour réussir cette expérience, il convient de plier
légèrement deux bords de la feuille de façon qu'elle ne soit pas appliquée
trop près du support. 3 Aspiration de deux feuilles de papier Lorsqu'on tient deux feuilles de papier l'une en face de l'autre et que
l'on souffle dans l'espace libre entre elles, les feuilles se rapprochent
au lieu de s'écarter. 4 Conséquences et applications du théorème de Bernoulli
1 Débitmètres à Venturi ou à diaphragme
2 Aspiration
Autres applications : le vaporisateur, la portance des ailes d'avion, le
profil de voiture, l'effet Magnus, la voile de Flettner...
3 Sur la viscosité (pertes de charge)
1 Expérience de Reynolds Quand le débit de l'eau est faible, le filet coloré se maintient bien
parallèlement au tube, sans osciller , ni se mélanger au fluide
environnant. La perte de charge (p est faible :
L'écoulement est dit laminaire.
Quand le débit de l'eau augmente, le filet coloré se met à osciller et
à diffuser dans tout le tube. La perte de charge (p est plus grande :
L'écoulement est dit turbulent. 2 Chute d'une bille dans un liquide Si le liquide était parfait, la bille serait soumise à deux forces :
son poids et la poussée d'Archimède. Il en résulterait un mouvement
uniformément accéléré.
Dans un liquide réel (par exemple de l'huile ou du glycérol), si on
lâche la bille sans vitesse initiale, la vitesse de la bille augmente au
début puis tend rapidement vers une constante. Il apparaît donc une force
supplémentaire de frottement fluide antiparallèle à la vitesse de la bille. 3 Écoulement d'un liquide dans une conduite horizontale Un fluide s'écoule dans une conduite horizontale de section constante
avec un débit déterminé, à l'aide d'un robinet par exemple. Des colonnes
verticales placées régulièrement sur la conduite repèrent les pressions à
différentes abscisses.
Si le liquide était parfait, on observerait une hauteur de liquide
constante dans les colonnes manométriques comme pour un liquide au repos.
Pour un liquide réel, on observe une diminution régulière de la
pression tout au long de la conduite. 4 Sur la tension superficielle
1 Ménisque à la surface libre d'un liquide Contrairement à la relation fondamentale de l'hydrostatique, la surface
libre d'un liquide n'est pas plane, mais forme un ménisque dans les tubes
étroits. 2 Ascension (ou dépression) dans un tube capillaire L'eau "monte" dans un tube capillaire.
Le mercure "descend" dans un tube capillaire. 3 Surface minimale d'une lame de savon Les lames minces prennent spontanément une forme telle que leur surface
soit minimale.
On forme une lame d'eau de savon sur un verre sur lequel on a placé un
fil de coton. Lorsqu'on perce une partie de cette lame, l'autre partie
attire le fil comme une membrane élastique 4 Flottaison d'une aiguille en acier sur de l'eau On peut réussir à faire flotter une fine aiguille en acier déposée
délicatement à la surface libre de l'eau, ce qui est paradoxal puisque la
densité de l'acier est proche de 8. On constate que la surface libre de
l'eau se déforme sous l'aiguille, comme une membrane élastique. L'eau
exerce sur l'aiguille des forces de tension superficielle qui compensent le
poids de l'aiguille. (Pour mieux réussir l'expérience, on peut d'abord
déposer sur l'eau une feuille de papier Joseph, puis déposer l'aiguille
dessus et faire couler délicatement le papier. 5 Bateau à huile On découpe une plaque de polystyrène en forme de bateau selon le schéma
ci-contre et on la fait flotter à la surface de l'eau. Si l'on dépose une
goutte d'huile dans l'espace découpé à l'arrière du bateau, on observe la
propulsion du bateau vers l'avant. 6 Arrachement d'un anneau ou d'une lame Un anneau de rayon R (ou une lame) bien propre est suspendue à un
système permettant de mesurer la force F de sustentation. On règle le zéro
lorsque l'anneau est dans l'air. On plonge l'anneau dans un liquide puis on
descend lentement le récipient contenant le liquide. Le liquide forme une
lame qui adhère à l'anneau. On mesure la valeur de la force F au moment de
l'arrachement. On en déduit la tension superficielle du liquide : [pic]
J. CARBONNET Lycée Louis Vincent METZ
mél : j.carbonnet@ac-nancy-metz.fr
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