1

Olympiades de Physique France 8 et 9 février 2013

Palais de la découverte à Paris

BESNIER Salomé, GOBERT Eugénie, LEROY Mélanie

Présentent

Vortex et

« effet Thelier »

2

Sommaire

PARTENAIRES 3

RESUME 4

INTRODUCTION 5

I : LE SENS DE ROTATION DU VORTEX 6

A : PRATIQUE 6 1 : REPONSE DES 4 COINS DU MONDE 6 2 : NOTRE REPONSE 7 B : THEORIE 8 C : INFLUENCE DU TEMPS DE REPOS 9

II : MOUVEMENTS DES FLUIDES DANS UN BECHER 10

A : DESCRIPTION DU MATERIEL. 10 B : PROFONDEUR DU VORTEX 11 C : LES COUCHES DE COULEURS 14 D : LA COUCHE D’HUILE 17 E : VITESSES ET TRAJECTOIRES DANS UN VORTEX. 18

III : DOSAGE D'ACIDE CHLORHYDRIQUE PAR LA SOUDE 21

A : DESCRIPTION DU MONTAGE 21 B : REALISATION DE L’EXPERIENCE 21

CONCLUSION 23

BIBLIOGRAPHIE 24

REMERCIEMENTS 25

3

Partenaires

4

Résumé

Le but de notre travail est d’essayer d’étudier la formation d’un vortex dans un bécher lors d’une réaction chimique. Nous nous sommes d’abord intéressées aux vortex libres créés dans une bouteille. Nous avons demandé à différentes personnes dans le monde de reproduire la même expérience. Ensuite, nous avons réalisé des vortex dans des béchers. Différents moyens comme l'encre, des colorants, du poivre, de la poudre de lycopode, de l'huile … nous ont permis d’étudier qualitativement la trajectoire de particules et de mesurer leurs vitesses. Enfin, nous nous sommes intéressées à « l’effet Thelier », qui est la persistance d’une zone de non réaction lors d’un dosage quand on agite vivement à l’aide d’un agitateur magnétique. Nous cherchons actuellement à modéliser nos observations et à les simuler informatiquement.

5

Introduction

Nous avons trouvé et adopté ce sujet d’une façon particulière. En effet, en classe nous avons effectué un TP, en spécialité physique, sur la dureté de l’eau. Tout au long de ce TP, nous avons remarqué un phénomène qui a attiré notre attention : en accélérant la vitesse de rotation du turbulent, nous avons observé un tourbillon. Nous avons donc décidé de travailler sur la provenance de ce dernier, de par son originalité et son aspect expérimental. C’est comme cela que nous avons affiné notre sujet et décidé d’étudier les vortex dans le cadre des Olympiade de Physique. En effectuant des recherches, nous avons remarqué qu’une question revenait très souvent dans les livres ou autres supports de recherches. Cette question était mise en évidence comme une idée reçue: « Est-il vrai que lorsque l’on vide un lavabo, le sens de rotation de l’eau est différent selon l’hémisphère ? » Nous avons donc décidé de partir de cette dernière pour débuter nos expériences. De là, ont découlé plusieurs idées d’expériences et de mises en pratique afin de mieux cerner l’ensemble du sujet. En affinant les expériences, nous sommes arrivées au dosage d’acide chlorhydrique par la soude. Notre professeur, nous a de suite parlé d’un élève qu’il avait eu, et qui avait découvert ce phénomène en classe : M. Gauthier Thelier (TS2 promotion Pierre-Gilles de Gennes). Cette expérience nous a semblé fort intéressante ainsi que son aspect visuel. Ce dernier nous a poussées à faire de « l’effet Thelier » l’aboutissement de notre sujet et de l’utiliser pour tenter de répondre aux questions que nous nous posions. Nous avons donc choisi d’organiser notre problématique de manière à retomber sur cet aboutissement :

Le sens de rotation est-il différent selon l’hémisphère ?

Comment se forme un vortex ?

Quelles sont les conséquences directes des vortex dans un dosage d’acide chlorhydrique par la soude ?

6

I : Le sens de rotation du vortex

A : Pratique

1 : Réponse des 4 coins du monde

Tout d’abord, nous avons pris comme base les vortex libres pour mettre en évidence le sens de rotation d’un vortex. Nous voulions réfuter ou confirmer l’idée reçue disant que le sens de rotation d’une masse d’eau dans une baignoire change selon l’hémisphère. Pour cela, nous avons communiqué avec des personnes habitant dans différents endroits du monde pour leur demander de faire une expérience suivant le protocole que nous avions mis en place. Le but de l’expérience est de créer un vortex dans une bouteille suivant trois étapes. L’installation est identique pour chaque étape, c’est à dire, une bouteille de 2L, retournée à la verticale le bouchon en bas, tout en étant bien stable.

Notre montage à Hazebrouck lors de la sélection régionale

Pour la première étape, une fois le système stabilisé, il fallait enlever le bouchon de la bouteille

sans induire de mouvement. Nos contacts scientifiques à l’étranger ont répété plusieurs fois l’expérience et se sont rendu compte que dans la majorité des cas, rien ne se passait. En effet, l’eau coule sans produire de vortex. De temps en temps, un mouvement rotatif s’esquissait sans toutefois pouvoir définir un sens de rotation vérifiable.

Vortex dans une bouteille

Dans la deuxième partie, une fois l’eau bien stable, il fallait donner un léger mouvement à celle-ci en faisant un cercle avec le bout du doigt dans le sens horaire. L’expérience a aussi été réitérée à plusieurs reprises. Cette fois-ci, ils nous ont répondu que dans la majorité des cas, un vortex se formait avec un sens de rotation qui était le même que le mouvement donné au début de l’expérience.

7

Dans la dernière étape, quand l’eau était encore une fois bien stable, il fallait donner un léger mouvement à l’eau dans le sens anti horaire avec le bout du doigt. Encore une fois, pour plus de précisions, l’expérience a été refaite plusieurs fois. Dans ce dernier cas, le vortex se formait aussi et tournait également dans le sens donné au début de l’expérience. Ces expériences réalisées aux quatre coins du monde nous ont montré que sans mouvement donné à l’eau, aucun vortex ne se formait librement dans une bouteille.

2 : Notre Réponse

Après avoir eu connaissance de ces résultats, nous avons décidé de faire l’expérience nous-mêmes avec de légères variantes. Nous avons refait l’expérience dans des bouteilles de deux litres pour confirmer les résultats de nos contacts situés à différents endroits dans les deux hémisphères, plus ou moins proches de l’équateur. Mais cette fois, nous avons fait varier la taille de l’ouverture. Nous avions préalablement percé dix bouchons selon différents diamètres allant de 2.5 mm à 20 mm. Nous voulions voir si la taille et l’ouverture entraînaient des conséquences sur la formation du vortex libre. A Partir de 16 mm, un vortex se formait, mais seulement lorsque nous donnions un mouvement à l’eau. Ensuite, nous avons reproduit l’expérience dans des bouteilles de 5 L. Nous avons alors pu constater qu’à partir d’une ouverture de 4 mm, un vortex se formait mais seulement lorsque nous donnions un mouvement à l’eau. De plus, nous avons observé deux types de vortex. L’un se constituait d’une simple hélice l’autre était en double hélice.

La mécanique des fluides se caractérise par l’écoulement, on utilise le nombre de Reynolds. C’est un nombre sans dimension qui a été mis en évidence par Osborne Reynolds en 1883. Il caractérise donc l’écoulement et plus particulièrement la nature de son régime. Le nombre de Reynolds représente le rapport entre la force d’inertie et les forces visqueuses.

Il combine la vitesse du fluide qui se mesure en mètres par seconde ; le diamètre de notre

bouteille qui se mesure en mètre ; et la viscosité cinématique de notre fluide qui s’exprime en mètres carré par seconde. En faisant l’inventaire des unités nous vérifions en effet que le nombre de Reynolds n’a pas d’unité, donc il aura la même valeur dans tout système d’unités cohérent.

En fonction du nombre de Reynolds trouvé, on peut distinguer 3 régimes principaux. Il y a le régime de Stokes, le régime laminaire et le régime turbulent. Le régime de Stokes correspond à une valeur très petite du nombre de Reynolds. Dans ce cas, les forces d’inertie liées aux vitesses sont négligeables et le fluide est très visqueux. Ensuite, il y a le régime laminaire. Dans ce type d’écoulement, l’effet de la viscosité s’atténue à mesure que l’on s’éloigne des parois, les vitesses des fluides tendant à s’homogénéiser. Enfin, il y a le régime turbulent qui se produit à partir d’un certain nombre de Reynolds suite à une période transitoire qui fait apparaitre des instabilités dues à l’amplification des perturbations. La valeur du Reynolds de transition et la nature des instabilités dépendent essentiellement du type d'écoulement considéré. Les instabilités augmentent au point de donner naissance à un phénomène chaotique dans lequel il est difficile de déceler une organisation, c’est le régime turbulent.

Nous avons calculé le nombre de Reynold dans le cas de notre bouteille de 2L. Cette équation correspond au calcul du nombre de Reynolds pour le cylindre de la bouteille.

8

Celle-ci correspond à l’extrémité de la bouteille.

Suite aux nombres de Reynolds trouvés dans notre bouteille, nous pouvons dire que le régime dans celle-ci est un régime transitoire. C’est pour cela qu’en induisant un mouvement avant de vider la bouteille, lors de sa vidange, on passe dans un régime turbulent ce qui permet d’observer un vortex.

Cependant, on ne peut pas démontrer le sens de rotation du vortex. Pour cela, nous avons cherché une explication scientifique et théorique.

B : Théorie

Nous réalisons nos expériences dans un référentiel terrestre. La Terre tourne sur elle-même en 24 heures, ce qui équivaut à secondes. De part son mouvement rotatif, la Terre acquiert une vitesse angulaire, c'est-à-dire un angle parcouru en une unité de temps, donc en une seconde. La vitesse angulaire se note ω et s’exprime donc en radian par seconde. La vitesse angulaire de rotation de la Terre est donc :

ω = 7,3.

Comme la Terre tourne sur elle-même à vitesse constante, sa vitesse angulaire sera aussi constante. On donne à cette vitesse angulaire un caractère vectoriel afin de pouvoir l’appliquer dans notre formule de Coriolis. La force de Coriolis est une force agissant perpendiculairement à la direction du mouvement du fluide, lui-même en déplacement dans un référentiel qui est en rotation uniforme. Sa formule est la suivante :

La force de Coriolis s’exprime en Newton et dépend de la masse en kilogramme de l’objet en mouvement, de la vitesse angulaire de la Terre en radians par seconde, et de la vitesse de l’objet en mètres par seconde.

Dans notre cas, nous nous intéressons à un petit élément de fluide de 1 mL qui pèse 1,0 g. On considère la vitesse acquise par une chute verticale de 1 m, en supposant que toute cette vitesse est utile pour la force de Coriolis :

Le poids ; où est la masse de l’objet en kilogramme et l’accélération de la pesanteur, elle vaut 9,81 m.s-2.

9

La force de Coriolis est 10-4 fois inférieure au poids, par conséquent la force de Coriolis est

négligeable et n’a aucun impact dans notre expérience. Donc contrairement à l’idée reçue, la force de Coriolis est trop faible pour pouvoir avoir une

influence sur le sens de rotation de l’écoulement de l’eau de nos bouteilles. Pour que la force ait une influence sur le sens de rotation, il faudrait s’intéresser à une masse d’eau importante avec une grande vitesse. Dans le siphon d’une baignoire, le sens de rotation de l’eau est donc dû à la géométrie de la baignoire ou à l’agitation de l’eau.

C : Influence du temps de repos

Nous avons voulu voir l’influence du temps de repos avant ouverture du bouchon. Nous avons procédé comme précédemment, avec les mêmes bouteilles et des bouchons percés de trou de 6 mm de diamètre. Nous avons fait varier le temps de repos de 30 s à 17 j (durées permises par les vacances de la Toussaint et de Noël). Sur le graphique ci-dessous nous représentons le pourcentage moyen de bouteilles pour lesquelles on ne voit pas apparaitre de vortex. Ce graphique est issu de 94 séries de mesures sur 6 ou 12 bouteilles.

Evidement avec une durée de 17, cela fait 17 x 24 x 3600 = 1 468 800 s. Il y a un problème d’échelle, car tout semble se passer au début. Nous décidons de zoomer.

Cela ne nous satisfait pas plus car on a toujours l’impression de rater l’essentiel, il semble que tout se passe au début puis on tend vers un équilibre, différent de la première représentation. Nous passons à l’échelle logarithmique que nous venons juste d’apprendre.

10

Enfin une courbe qui couvre toutes nos mesures. On peut dire qu’en dessous d’une limite il est impossible d’avoir une eau assez calme pour pouvoir ne pas observer un vortex. Et qu’il faut un certain temps pour que l’eau soit assez calme, pour pouvoir ne pas observer de vortex. Il semblerait que même pour des temps très long (17 j dans notre cas), on ne peut garantir l’absence de mouvement capable de déclencher un vortex.

Ne pouvant créer de vortex libres dans une bouteille sans donner d’impulsion à l’eau, nous avons décidé de travailler dans un bécher avec notre masse d’eau mise en rotation grâce à un agitateur magnétique et un barreau aimanté.

II : Mouvements des fluides dans un bécher

A : Description du matériel.

Nous avons choisi différents matériaux pour effectuer nos expériences. Pour commencer, nous avons décidé d’utiliser :

Un bécher de 300 mL, car des essais préliminaires nous avez montré que c’était un bon compromis entre les béchers des dosages (100 mL) et les grands béchers qui permettent facilement de faire varier les paramètres.

Un agitateur magnétique réglable en vitesse avec un indicateur digital de vitesse de rotation en tr/min IKA RTC Basic Safety Control 0-1500 rpm.

Parmi un large choix, nous avons sélectionné trois turbulents de tailles différentes mais de même forme. Ils représentent l’ensemble des turbulents que nous avions.

11

Durant l’expérience, pour pouvoir analyser le vortex formé, il fallait placer le bêcher devant un fond bleu situé entre deux règles. Cela nous permettait de faire des mesures à partir des vidéos faites grâce à deux caméras. L’une placée au-dessus du bêcher, l’autre en face.

Mélanie préparant un film dans un bécher

De plus pour l’analyser correctement, nous avons mis à la surface de l’eau de la poudre de lycopode. Celle-ci ayant des propriétés particulières, notamment le fait qu’elle flotte, elle nous a permis d’observer la formation et la rotation du vortex par le dessus. Pour pouvoir visualiser le vortex formé sous l’eau ainsi que son sens de rotation, nous avons mis quelques grains de poivre. Nous avons choisi ce dernier, car ces grains sont assez foncés pour les suivre lors de nos mesures. L’acquisition vidéo a été faite avec un appareil photo numérique de modèle Nikon D3100 avec un objectif Sigma 70/300, nous avons travaillé en haute résolution ce qui nous donne souvent des films de 3Go pour 10s d’acquisition. Nous avons veillé à ce que l’appareil soit le plus éloigné possible pour limiter les erreurs de parallaxe, à l’aide du logiciel de pointage Généris 5+ de l’atelier scientifique Jeulin.

B : Profondeur du vortex

Nous avons réalisé une multitude de vortex afin de faire une étude quantitative sur l’influence de différents paramètres.

Nous avons alors comparé les courbes de l’évolution de la profondeur du vortex en fonction du temps.

Schéma du dispositif utilisé

A l’aide du logiciel Généris 5+ nous avons pu faire des acquisitions en fonction du temps de l’évolution de la profondeur d’un vortex pour un barreau et une vitesse de rotation donnée.

12

Nous avons comparé les courbes pour trois barreaux et deux vitesses : 500 tour/min et 1000 tour/min.

On peut constater que :

Le vortex ne s’établit pas instantanément, il faut un certain temps (de 2 à 12 s) pour que la perturbation du barreau le provoque. Ce temps est d’autant plus court que le barreau est long et que la vitesse de rotation est grande.

Le vortex se creuse progressivement avec une certaine instabilité

La profondeur finale du vortex dépend de la taille du barreau et de sa vitesse. Nous avons eu l’idée d’étudier la relation entre la profondeur et la vitesse de rotation.

13

Nous avons choisi de travailler avec des fonctions logarithmes car l’allure de la coupe d’un vortex nous faisait penser à un saut de pH. Nous avons essayé et cela nous a permis d’avoir des droites. C’est bien plus pratique que de devoir modéliser en aveugle. Ces courbes montrent qu’avec un même barreau, il y a proportionnalité entre le logarithme népérien de la profondeur et celui la vitesse de rotation. Le facteur de proportionnalité semble être 2. Après la finale régionale, l’un des membres du jury, M. Georges WLODARCZAK, nous a fait parvenir un article (voir bibliographie) où l’on trouve le même résultat. La profondeur du vortex est-elle affectée par la hauteur d’eau dans le bécher ? Pour cela nous avons effectué une série de photographies en faisant varier la hauteur du liquide dans le bécher. La surface est marquée par de la poudre de lycopode.

Voici le résultat. Il s’agit bien de la hauteur d’eau avec le vortex formé. Des essais préalables nous ont montré que de mesurer avant ou après la formation donne le même résultat aux erreurs expériences prés

Ces séries de mesures montrent que la profondeur du vortex évolue assez peu à 300 tr/min, il y a un léger amortissement quand la hauteur d’eau augmente. A 600 tr/min, dans un premier temps l’amortissement est assez fort, puis cela évolue approximativement comme à 300 tr/min. Pour une telle agitation (600 tr/min), au départ, on a un « effet Moïse », c’est-à-dire une ouverture du liquide par le barreau aimanté, celui-ci se retrouve

Hauteur d’eau

14

presque à sec. L’énergie fournie par le barreau aimanté est plus grande que ce que l’eau peut compenser, ensuite c’est l’eau qui joue le rôle majeur. Enfin, c’est ce qu’il nous semble.

Un exemple d’effet Moïse »

C : Les couches de couleurs

Pour voir comment se forme le vortex ainsi que le mouvement de l’eau dans un bécher, nous avons réalisé une expérience où l’on peut apercevoir différents niveaux grâce à 6 couches de couleurs de 50 mL chacune.

Pour effectuer cette expérience, nous avons utilisé différents matériaux. Tout d’abord, nous

avons pris la même base que pour l’expérience antérieure, c'est-à-dire, un bécher de 300 mL, un turbulent 39 mm de long et de 8,0 mm de diamètre ainsi qu’un agitateur magnétique. Pour pouvoir réaliser les différentes couches nous avons utilisé une ampoule à décanter et pour voir chaque niveau, nous avons utilisé différents colorants. Au terme de plusieurs expériences, nous nous sommes rendu compte que pour éviter que les couleurs ne se mélangent, il fallait définir le nombre de gouttes de chaque couleur associée à chaque niveau.

Pour commencer, nous voulions garder la même densité pour chaque couche en utilisant simplement de l’eau distillée. Mais, les couches se mélangeaient, les couleurs n’étaient pas distinctes, par conséquent il était impossible de voir la formation du vortex et le mouvement de l’eau. Alors, nous avons décidé de changer légèrement la densité sans qu’il n’y ait de conséquence sur le volume.

Numéro de la couche Volume d’eau distillée en mL

Volume d’eau salée à 5,0 , en mL

Couleur

6 50 0 Vert

5 40 10 Sans

4 30 20 Sans

3 20 30 Sans

2 10 40 Jaune

1 0 50 Jaune

Les couches N°2,3 et 4 sont volontairement non colorée pour pouvoir visualiser la propagation de la couleur par le bas ou par le haut. Les couches sont faites successivement de bas en haut. On fait la première en ayant la pipette pasteur qui touche le fond. Puis la seconde est faite en ayant la pipette pasteur juste au sommet de la couche précédente et ainsi de suite.

15

Voici une photo de l’installation de l’expérience :

Notre montage

Cette expérience nous a permis de voir, grâce aux couleurs et donc aux différentes couches, le mouvement de l’eau. Nous avons pu remarquer que les couches inférieures remontaient par les côtés du bécher puis revenaient par le centre au niveau inférieur initial. Ce cercle se produit indéfiniment tant que l’agitateur est en marche. La perturbation se propage de proche en proche par des cercles concentriques de haut en bas.

Nous avons également réalisé cette expérience avec des gouttes d’encre pour savoir si la couleur nous permettait de voir plus précisément ce qui se passait lors de la formation du vortex. Nous n’avons changé aucun autre paramètre. L’encre était plus concentrée que les colorants, nous avons donc choisi de n’en mettre qu’une goutte.

Ampoule à décanter

Agitateur magnétique réglé à 300 t/min

Turbulent de 39 mm Diamètre : 8 mm

Différentes couches de la solution avec colorants

Règle échelle de mesure sur les vidéos

Pipette Pasteur

16

Installation de l’expérience mais avec de l’encre :

Avec ces deux expériences nous sommes arrivées aux mêmes conclusions.

Voici un schéma qui résume le mouvement du liquide lors de la formation d’un vortex :

Schéma représentant le mouvement de l’eau lors de la formation d’un vortex

Solution avec de l’encre

Pipette Pasteur

17

D : La couche d’huile

Nous avons également réalisé l’expérience des couches avec une couche d’huile. L’huile reste au dessus du volume d’eau car sa masse volumique est plus faible. Nous avons pris le même matériel que l’expérience précédente à savoir un bécher 300 mL, le barreau aimanté de 39 mm et 8 mm de diamètre ainsi que l’agitateur magnétique réglé à 300 tr/min.

Nous avons réalisé l’expérience en plusieurs fois, en changeant un paramètre. En effet, nous

avons changé le volume d’eau et le volume d’huile. Nous avons réalisé cette expérience avec 270 mL d’eau et 30 mL d’huile.

Vortex créé par un barreau de 40 mm dans de l’eau à 300 t/min ajout d’huile barreau arrêté

Huile

Eau

18

Vortex créé par un barreau de 40 mm dans de milieu à 300 t/min

Dès qu’on met un peu d’huile, l’effet du vortex semble très marqué. En fait la dépression semble être remplie d’huile.

Huile agitée par un barreau de 40 mm à 300 t/min

Cependant quand on soumet de l’huile à la même agitation on a plus de vortex Grâce à cette expérience, nous avons vu que lorsque nous mettons un liquide de densité plus faible au dessus de l’eau, on observe plus rapidement la formation d’un vortex. De plus, plus la proportion d’huile est importante par rapport à la proportion d’eau, plus le vortex formé est profond. Cependant nous n’avons pas réussi à expliquer pourquoi nous observons un tel phénomène.

E : Vitesses et trajectoires dans un vortex. Pour connaitre ce qui ce passe dans notre bécher nous avons eu l’idée de suivre la trajectoire de particules en suspension dans le liquide. Après quelques essais nous pouvons dire que c’est le poivre de notre cantine qui donne les meilleurs résultats, les autres sont trop fins ou trop grossiers ou pas assez noir. Après avoir faits quelques dizaines de films de l’agitation de 300 mL d’eau par un barreau de 40 mm à 300 tr/min nous les avons convertis du format de l’appareil photo au format .AVI le seul lisible par notre

Vortex lorsqu’il y a 285 millilitres d’eau et 15 millilitres d’huile

19

logiciel de traitement de vidéo. Nous avons fait cela avec le logiciel RAD Video Tools, puis nous les avons convertis au format old .AVI c’est-à-dire sans codec à l’aide du logiciel Virtual dub. Le film passe de 40 Mo sur la carte mémoire de l’appareil photo à 3 Go pour l’exploitation par le logiciel Généris 5+. C’est un logiciel de pointage, nous l’étalonnons grâce à une règle graduée que nous avons disposée à côté du bécher.

La première chose que nous obtenons est la trajectoire d’un grain de poivre y = f (x).

Nous indiquons le début de la trajectoire. Celle-ci est hélicoïdale, la particule monte assez lentement (il faut 25 point pour une seconde) puis arrivée en haut elle semble se diriger vers le bas assez rapidement. Pour quantifier ces impressions de vitesse nous décidons de la calculer à l’aide de notre logiciel.

Menu affichage traitements de données puis dérivée (option lissage), on a les vitesses X’ (Vx) et Y’ (Vy) qui s’affichent.

Début

20

La vitesse Vx est relativement stable pendant les passages de gauche à droite et réciproquement et elle s’annule et change de signe à chaque extrémité, elle vaut environ 0,10 à 0,15 m.s-1. Pendant le passage dans le canal du vortex elle voit sa valeur changer très rapidement pour atteindre 0,20 à 0,25 m.s-1. La vitesse Vy d’ascension est « relativement stable », et vaut environ 0,05 m.s-1, pendant le passage du canal du vortex elle atteint 0,20 m.s-1. Pour obtenir la vitesse du grain (dans le référentiel labo), on passe par le menu : Affichage Traitements de données Calcul

√

Grandeur, on tape v. on va dans fonction, le signe = apparait automatiquement puis on tape ((X’^2)+(Y’^2))^0.5. On va ensuite dans unité et on tape m*s^-1 La courbe apparait dès qu’on clique ailleurs.

On peut dire que la vitesse est globalement assez constante pendant la phase de montée et vaut aux alentours de 0,12 – 0,14 m.s-1. Pendant le passage dans le canal du vortex elle vaut environ 0,25 m.s-

.

21

III : Dosage d'acide chlorhydrique par la soude

A : Description du montage

Nous avons réalisé un dosage d’acide chlorhydrique pas la soude. Voici notre installation :

Nous avons utilisé le même bécher et le même agitateur que pour les expériences précédentes.

B : Réalisation de l’expérience

Nous avons effectué notre dosage d’acide chlorhydrique par la soude. La réaction entre les ions oxonium (H3O+) et hydroxyde (HO-) est rapide et totale. Cependant, en augmentant significativement la vitesse de rotation du barreau aimanté, on observe :

Effet Thelier lors d’un dosage

Une limite définie à l’intérieur de laquelle la soude est comme prise au piège et dont elle s’échappe difficilement. La couleur rose- fuchsia indique que le pH est compris entre 8,2 et 12,0, la réaction totale et rapide n’a pas lieu. Cet état peut persister quelque dizaines de secondes.

Burette remplie de soude à 0,1 mol.L

-1

Bécher rempli d’acide chlorhydrique à 0,1 mol.L

-1, d’eau distillée et de

quelques gouttes de phénophtaléine

Barreau aimanté

Agitateur magnétique

22

Notre explication est la suivante : Au centre du bécher, c’est-à-dire dans la zone entre les pointillés, il y a création d’un vortex forcé. En effet le barreau aimanté en tournant ne provoque que l’agitation de la masse de solution directement au-dessus de lui. Cette zone semble se comporter comme une pointe liquide indépendante du reste. Alors qu’à l’extérieur de la zone entre les pointillés, le vortex est libre. Il suit les mouvements mis en évidence dans la partie II. C, et n’est entrainé que par la rotation interne du fluide. Nous sommes actuellement en train de chercher les limites de l’apparition de cet effet que nous avons nommé « effet THELLIER » du nom d’un ancien élève de notre lycée qui l’avait déjà remarqué et signalé.

23

Conclusion

Grâce à toutes nos recherches et à nos nombreuses expériences, nous avons pu démontrer que la force de Coriolis, censée induire un mouvement rotatif lors de la vidange d'un liquide, n'avait aucun effet sur des mouvements à notre échelle. En effet, lors de l'expérience des bouteilles, nous avons pu montrer que la formation d'un vortex ne peut avoir lieu que lorsque nous donnons un mouvement rotatif à l'eau.

Par conséquent, l'unique possibilité d'obtenir un vortex clairement identifiable est d'utiliser un agitateur magnétique et un barreau aimanté afin d'induire la rotation du fluide. Dès lors, nous avons pu observer la formation d'un vortex. Nous pouvons alors dire grâce aux expériences du poivre, de l'huile et des couches d'encre qu'il faut un certain temps au vortex pour qu'il se crée. Le mouvement mis en évidence par les particules de poivre est un mouvement de convection combiné à une rotation, ce qui donne une trajectoire hélicoïdal. Alors, dans un bécher, lorsqu'il y a un vortex, les mouvements des fluides se font aléatoirement mais sont décrits par une géométrie fixe.

Enfin, l'effet Thelier permet de montrer qu'il y a deux vortex distincts, l'un forcé par rotation du barreau et l'autre, libre, créé par les mouvements du vortex formé.

24

Bibliographie

Livres

A. J. STEPANOFF, Pompes centrifuges et pompes hélices, théorie, tracé et application. Instruments pour l’industrie. Editions DUNOD, 1961

D. PICARD, Mécaniques des fluides - BTS Industriels, Edition ELLIPSE, 2005

E. GUYON, J. P. HULIN, L. PETIT, Ce que disent les fluides, Edition BELIN, 2011

E. GUYON, J. P. HULIN, L. PETIT, Hydrodynamique Physique, EDP Sciences, 2001

O. BURIDANT, F. DUCROCQ, G. GOMEZ, M. MARGARIT, A. MARGARIT ; J.L. MAURIN, G. NAGLIK, F. PLET, P. RYVES ; Travaux pratiques de physique chimie, de la seconde à la terminale ; Edition BORDAS, 2003 Articles

G. HALASZ, B. GYURE, I.M. JANOSI, K.G. SZABO, T. TEL, Vortex flow generated by a magnetic stirrer, American Journal of Physics, Vol. 75, 1092-1098 (2007).

ASCHER H. SHAPIRO, Bath-Tub Vortex, Nature 196, 1080 - 1081

J. BOISSON, D. CEBRON, F. MOISY et J. P. CORTET, Un pendule de Foucault fluide, Reflets de la physique, No. 31 (octobre 2012), p. 22.

25

Remerciements

Mme Christine RIGOLLET, Proviseure, lycée E. BRANLY, Boulogne-sur-Mer. M. Mathieu VAAST, Proviseur Adjointe, Lycée E.BRANLY, Boulogne-sur-Mer. M. Eric FOUCHOU-LAPEYRADE, agent comptable, lycée E. BRANLY, Boulogne-sur-Mer

M. Olivier BURIDANT, professeur de Physique chimie, Lycée E. BRANLY, Boulogne-sur-Mer. M. Didier SORET, professeur de Mathématique, Lycée E. BRANLY, Boulogne-sur-Mer. M. Patrick GALIOT, professeur de Physique chimie, Lycée Mariette, Boulogne-sur-Mer. Mme Christèle FLAMAND, professeure de lettres modernes, Lycée E. BRANLY, Boulogne-sur-Mer. Mme Bérengère SYLVAIN, professeure de lettres modernes, Lycée E. BRANLY, Boulogne-sur-Mer. Mme Marie Christine HECQUET, professeure d’anglais, Lycée E. BRANLY, Boulogne-sur-Mer.

M. Georges WLODARCZAK, Professeur, USTL, Lille 1, membre du jury régional, pour les articles

qu’il nous a fait parvenir.

M. Gérard DUPUIS, Professeur de chimie, Lycée Faidherbe M. Kamil FADEL, directeur du département physique du Palais de la Découverte. M. Tariq MAHMUD, Programme Director, University of Leeds, United Kingdom. M. Gregory CARTLAND GLOVER, Aston University, Birmingham, United Kingdom M. Imre M. JÁNOSI, Von Kármán Laboratory, Eötvös University, Budapest, Hungary M. Tamas TEL, Von Kármán Laboratory, Eötvös University, Budapest, Hungary

Pour leurs nombreuses réponses aux questions que nous nous posions par mails.

Mme Emilie SANSSOUCY, Licence de Physique Chimie, Calais. M. Gaétan TOURSEL, Licence de Physique Chimie, Calais. M. Gauthier THELIER, ILIS, Lille2

Mme Patricia CAROEN, Sylvie DELETOILLE, Betty HENGUELLE et Véronique PRUVOT et M. Gaël

DANEL, Romain LAMARRE et Bruno HERMAND, personnels de laboratoire, pour leur compréhension, leur aide et leur patience.

A tous les personnels du lycée qui ont fait ce qu’ils pouvaient pour nous aider dans notre travail.

Aux anciens élèves d’Olympiades de Physique, pour leur participation aux expériences dans le monde.

A nos camarades des Olympiades de physique et notre classe de terminale S2 pour leur soutien. A nos parents pour le travail de relecture et leur patience. Merci aussi à tous ceux qui nous ont aidés et que nous avons oublié de citer. Merci à tous ceux qui ont eu la patience de nous écouter.

26

Les Olympiades vues par Mélanie

Je participe aux Olympiades de Physique depuis maintenant 2 ans tous les mercredis après midi. J’ai choisi de pratiquer cette activité. Je voulais avant tout apprendre et voir une autre façon de travailler la Physique et la Chimie de façon plus expérimentale, comme de vrais scientifiques. Mon professeur de Physique Chimie, M.BURIDANT, m’a donc conseillée et encouragée à m’y engager. Aux premiers abords les Olympiades paraissent être un engagement lourd qui peut faire peur. Une fois dedans il arrive très régulièrement que l’on se dise déjà 18h ! Et que l’on se demande pourquoi le temps passe aussi vite.

Cette expérience m’est très enrichissante à différents points de vu. En effet, elle m’apporte

beaucoup sur le plan humain, un enrichissement personnel et social. Elle me permet de travailler en groupe, de façon constructive et solidaire. Les TPE de 1ère S, mais surtout les Olympiades, m’ont appris à rester en cohésion avec un groupe, à faire confiance et à apprendre de l’autre. Passant beaucoup de temps au lycée et avec les autres groupes d’Olympiades, j’ai réussi à tisser des liens forts que je n’aurais pu soupçonner. L’aventure que constituent les olympiades m’a appris à composer avec les différentes personnalités qui composent ce groupe, et même la mienne. J’ai appris que la remise en question de soi est capitale dans un travail de groupe surtout lors de recherche. J’ai pu aussi me rendre compte que l’aide extérieure était parfois indispensable. De plus, travailler, selon une démarche expérimentale ainsi que rédiger un dossier, m’a permis d’appendre à travailler de façon efficace et à chercher toujours plus loin dans les conclusions ou les réflexions. J’ai appris que la majorité des solutions que nous avons pu déduire ou trouver entrainaient d’autres interrogations. J’ai pu découvrir par les différents contacts que nous avons essayés d’avoir que la communauté scientifique était semblable à une famille.

Cette année, avec Eugénie Gobert et Salomé Besnier, nous avons décidé de travailler sur les

vortex. J’ai tout de suite adhéré à ce sujet, car les vortex ont toujours eu une dimension effrayante et mystérieuse pour moi. En apprendre plus à leur sujet, me convenait donc parfaitement. Ce sujet néanmoins, a été compliqué à traiter car les scientifiques eux même n’ont pas de réponse à nos questions, mais on a, en grande partie, essayé de nous approprier une part de leur savoir. Dans le groupe, nous avons eu des crises de motivations chacune notre tour. Mais, grâce à une excellente entente et à un travail d’équipe et de solidarité, nous avons continué pour les joies de la physique !

Mélanie LEROY,

17 ans spécialité physique TS2 promotion Kamil FADEL

27

Les Olympiades vue par Eugénie

Depuis 2 ans je suis engagée dans l’aventure olympiades de physiques dans mon lycée. Quand notre professeur m’a proposé de venir le mercredi après-midi au lycée pour faire de la physique, je n’ai pas dit oui de suite. On se projette difficilement au lycée alors qu’on n’a pas cours quand on est élève en seconde. Et pourtant… Je suis venue une première fois avec une amie pour voir à quoi ça ressemblait ; et l’esprit m’a tout de suite plu. J’adore faire des expériences, élaborer un protocole, le mettre en œuvre, juger de son efficacité … Les olympiades sont une aventure de groupe, un travail d’équipe ; il faut réussir à travailler ensemble, coordonner nos idées et nos défauts afin de pousser nos recherches vers l’avant. De plus, nous sommes plusieurs groupes à travailler et j’ai découvert en participant une réelle cohésion de groupe entre élèves mais aussi avec nos professeurs. Ici, chacun est prêt à aider un camarade en cas de besoin. Même le jour de la finale régionale où tout le monde était stressé par son passage, nous sommes restés solidaires et nous nous sommes tous aidé les uns et les autres. Cette année, je partage l’expérience avec deux amies. Nous avons choisi un sujet difficile mais passionnant. En effet, en avançant dans nos recherches, nous nous sommes rendu compte que même les scientifiques n’avaient pas de réelle réponse à apporter sur les vortex que nous étudions. De surcroît il existe même un prix, le prix Navier Stokes, qui récompense toute personne apportant des solutions mathématiques sur certaines parties de la mécanique des fluides dont la formation de vortex fait partie. Je trouve à la fois valorisant et motivant d’effectuer des recherches comme celles là, car d’un côté nous étudions les mêmes phénomènes que les chercheurs et d’un autre on ne sait pas si au terme de nos recherches nous trouverons toutes nos réponses. J’ai fait beaucoup de sacrifices sur mon temps libre pour réussir à boucler l’exposé mais je ne le regrette pas. Les olympiades sont une expérience très enrichissante et m’ont permis de faire de la vraie physique expérimentale, de développer mes méthodes de travail et d’apprendre à analyser des situations diverses à mon rythme. J’ai aussi appris à pousser mon raisonnement jusqu’au bout et à ne pas perdre espoir devant des questions sans réponses, car à force de chercher, nous finirons bien par trouver un morceau de l’énigme en collaborant avec des partenaires.

Eugénie GOBERT,

17 ans, spécialité physique TS2, promotion Kamil FADEL

28

Les Olympiades selon Salomé

J'ai décidé de commencer les Olympiades de Physique en Terminale car je voulais étudier et découvrir la Physique Chimie autrement qu'en cours. En effet, cela m'a permis de travailler de manière plus expérimentale et d'apprendre à pousser mes recherches toujours plus loin. Travailler sur les vortex n'a pas toujours été facile puisque c’est un sujet qui ne possède pas de réponse, malgré le nombre important de scientifiques qui se sont penchés sur le sujet. En effet, ne pas pouvoir expliquer son fonctionnement est assez frustrant. Chacune notre tour, nous avons alors subi par période une certaine démotivation devant ce sujet complexe. Mais grâce à la bonne entente dans notre groupe et à la solidarité qui existe entre nous, nous avons toujours réussi à surmonter ces frustrations et donc à nous remotiver pour la joie de la physique et pour pouvoir présenter un sujet complet. Pourtant, ce sujet est vraiment passionnant. En effet, nous avons étudié les vortex à petite échelle et seulement à partir d'eau, mais les vortex peuvent être tellement impressionnants. De plus, le sujet est extrêmement vaste ce qui nous a mené d'interrogations en interrogations et par conséquent de découvertes en découvertes. Passer tous mes mercredis après-midi avec les autres participants aux Olympiades de Physique m'a permis de construire des liens forts et de créer une solidarité avec eux, qui n'était pas forcément soupçonnable au départ. De plus, travailler avec Eugénie Gobert et Mélanie Leroy, m'a appris à composer avec des caractères forts que nous possédons toutes trois, ce qui parfois peut provoquer des étincelles. Toutefois, nous avons toujours réussi à nous mettre d'accord mais aussi à nous comprendre. En faisait partie des Olympiades de Physique, j'ai découvert l'esprit qui habitait ce concours à travers les participants et les professeurs, c’est à dire, un esprit d'équipe et de travail dans une bonne ambiance. L’investissement personnel donné pour cette aventure a été et est toujours très important. En effet, nous avons passé chaque mercredi après-midi et utilisé toutes nos heures libres pour approfondir nos recherches et expérimenter de nouvelles expériences. Mais tous nos efforts auraient seulement été vains si nous n'avions pas nos professeurs avec nous. Je peux dire que les Olympiades de Physique ont été très enrichissantes sans plusieurs domaines, autant scientifiques qu’humains.

Salomé BESNIER,

17 ans spécialité physique TS2 promotion Kamil FADEL