Plongeur cartésien - Cartesian diver

Démonstration de flottaison et de naufrage (plongeur cartésien). Le tube est rempli d'eau et d'air. En appuyant sur la bouteille, l'eau supplémentaire pénètre dans le tube à essai, augmentant ainsi la densité moyenne du système tube-eau-air, entraînant une flottabilité négative et le tube coule.
Diable cartésien dansant
Jouet en verre soufflé de Lauscha , forêt de Thuringe
Dans la bouteille

Un plongeur cartésien ou diable cartésien est une expérience scientifique classique qui démontre le principe de flottabilité ( principe d' Archimède ) et la loi des gaz parfaits . La première description écrite de cet appareil est fournie par Raffaello Magiotti , dans son livre Renitenza certissima dell'acqua alla compressione (Très ferme résistance de l'eau à la compression) publié en 1648. Il porte le nom de René Descartes comme le jouet qu'il aurait été inventé par lui.

Le principe est utilisé pour fabriquer de petits jouets souvent appelés « danseurs d'eau » ou « diables d'eau ». Le principe est le même, mais le compte-gouttes est remplacé par un objet décoratif ayant les mêmes propriétés qui est un tube de flottabilité quasi neutre, par exemple une bulle de verre soufflé . Si la queue de la bulle de verre est tordue, le flux d'eau entrant et sortant de la bulle de verre crée une rotation. Cela fait tourner le jouet lorsqu'il s'enfonce et s'élève. Un exemple d'un tel jouet est le "diable" rouge montré ici. L'appareil a également une utilisation pratique pour mesurer la pression d'un liquide .

Des plongeurs en plastique ont été offerts dans des boîtes de céréales américaines comme cadeaux rémunérés dans les années 1950, et "Diving Tony", une version du jouet inspiré de la mascotte des Frosted Flakes de Kellogg, Tony the Tiger , a été mis à disposition dans les années 1980.

Description de l'expérience

L'expérience nécessite une grande bouteille remplie d'eau, à l'intérieur de laquelle se trouve un « plongeur » : un petit tube rigide, ouvert à une extrémité, très semblable à un compte-gouttes avec juste assez d'air pour qu'il soit presque neutre , mais toujours assez flottant qu'il flotte au sommet tout en étant presque complètement immergé. Deux "plongeurs" alternatifs peuvent être construits. L'une scellée mais une ampoule flexible, et l'autre une ampoule en verre scellée (lampe de poche moins la base en métal) avec des fils de laine traînant en dessous. Le flexible comprimera en réduisant le volume, et le verre solide ne changera pas, mais les bulles d'air seront piégées dans les fibres et seront exposées à la pression - changeront ainsi de volume.

La "plongée" se produit lorsque la partie flexible du plus grand conteneur est pressée vers l'intérieur, augmentant la pression à l'intérieur du plus grand conteneur, faisant couler le "plongeur" ​​au fond jusqu'à ce que la pression soit relâchée, lorsqu'elle remonte à la surface. Si le récipient est rigide, comme pour une bouteille en verre, le bouchon de fermeture de la bouteille serait pressé vers l'intérieur ou tiré vers l'extérieur.

Dans une bouteille ovale
Un plongeur inversé
Un plongeur double action

Il y a juste assez d' air dans le plongeur pour lui donner une flottabilité positive . Par conséquent, le plongeur flotte à la surface de l'eau. En raison de la loi de Pascal , le fait de presser le récipient hermétique augmente la pression de l'air, dont une partie s'exerce contre l'eau qui constitue une "paroi" du récipient hermétique. Cette eau exerce à son tour une pression supplémentaire sur la bulle d'air à l'intérieur du plongeur ; parce que l'air à l'intérieur du plongeur est compressible mais que l'eau est un fluide incompressible, le volume d'air est diminué mais le volume d'eau ne se dilate pas, de sorte que la pression extérieure au plongeur a ) force l'eau déjà présente dans le plongeur plus vers l'intérieur et b ) conduit l'eau de l'extérieur du plongeur dans le plongeur. Une fois que la bulle d'air devient plus petite et que plus d'eau pénètre dans le plongeur, le plongeur déplace un poids d'eau inférieur à son propre poids, de sorte qu'il devient négativement flottant et coule conformément au principe d' Archimède . Lorsque la pression sur le conteneur est relâchée, l'air se dilate à nouveau, augmentant le poids de l'eau déplacée et le plongeur retrouve une flottabilité positive et flotte.

On pourrait penser que si le poids de l'eau déplacée correspondait exactement au poids du plongeur, elle ne monterait ni ne coulerait, mais flotterait au milieu du récipient ; cependant, cela ne se produit pas dans la pratique. En supposant qu'un tel état existe à un moment donné, tout écart du plongeur par rapport à sa profondeur actuelle, même minime, modifiera la pression exercée sur la bulle dans le plongeur en raison du changement de poids de l'eau au-dessus d'elle dans le navire. . C'est un équilibre instable . Si le plongeur monte, même de la plus petite quantité, la pression sur la bulle diminuera, elle augmentera, elle déplacera plus d'eau et le plongeur deviendra plus flottant, s'élevant encore plus rapidement. A l'inverse, si le plongeur baisse de la plus petite quantité, la pression augmentera, la bulle se contractera, de l'eau supplémentaire entrera, le plongeur deviendra moins flottant et le taux de chute s'accélérera à mesure que la pression de l'eau augmentera encore. Ce renforcement positif amplifiera tout écart à l'équilibre, même celui dû aux fluctuations thermiques aléatoires du système. Il existe une gamme de pressions appliquées constantes qui permettront au plongeur de flotter à la surface ou de couler au fond, mais le faire flotter dans le corps du liquide pendant une période prolongée nécessiterait une manipulation continue de la pression appliquée.

Les plongeurs à l'intérieur d'une bouteille en plastique ovale acquièrent de nouvelles propriétés intéressantes. En effet, une bouteille ovale peut augmenter de volume lorsqu'elle est comprimée, et si cela se produit, le plongeur noyé peut remonter.

Remarques

Liens externes