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Le retour du pop-pop - Olympiades de Physique France

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Lycée René Cassin<br />

75, route <strong>de</strong> Saint-Clément<br />

69173 Tarare<br />

Thibaut Besacier<br />

Morgan Fouillat<br />

Vincent Joyet<br />

<strong>pop</strong><strong>pop</strong>tarare@free.fr<br />

L<strong>Le</strong>e rreettoouurr d<strong>du</strong>u<br />

PPoopp--PPoopp<br />

OOllyymmppiiaad<strong>de</strong>ess d<strong>de</strong>e<br />

PPhhyyssiiqquuee 22001100


2009<br />

2010<br />

Sommaire<br />

2<br />

<strong>Le</strong> <strong>retour</strong> <strong>du</strong> <strong>pop</strong>-<strong>pop</strong><br />

Présentation ................................................................................................................................ Page -3-<br />

Résumé <strong>du</strong> projet ........................................................................................................................ Page -4-<br />

I/ Observation ............................................................................................................................... Page -5-<br />

1. Historique................................................................................................................... Page -5-<br />

2. Expérience préliminaire ............................................................................................. Page -6-<br />

II/ Modélisation ........................................................................................................................... Page -8-<br />

1. Explication <strong>du</strong> phénomène ......................................................................................... Page -8-<br />

a- <strong>Le</strong>s différentes phases ..................................................................................................... Page -8-<br />

b- Explication <strong>de</strong> la propulsion ........................................................................................... Page -10-<br />

c- Expérience <strong>de</strong> la canette ................................................................................................. Page -15-<br />

2. Simulation informatique ............................................................................................ Page -17-<br />

3. Mise en équation d’un modèle simplifié .................................................................... Page-21-<br />

III/ Application ........................................................................................................................... Page -24-<br />

IV/ Optimisation ........................................................................................................................ Page -27-<br />

1. Mesure et calcul <strong>du</strong> pouvoir calorifique <strong>de</strong> l’éthanol ............................................... Page -27-<br />

a- Valeur théorique ............................................................................................................. Page -27-<br />

b- Valeur expérimentale ..................................................................................................... Page -28-<br />

c- Analyse <strong>de</strong>s résultats ...................................................................................................... Page -30-<br />

2. Mesure <strong>de</strong> la vitesse <strong>du</strong> bateau ................................................................................. Page -31-<br />

3. Mesure <strong>de</strong> la force <strong>de</strong> poussée <strong>du</strong> bateau ................................................................ Page -33-<br />

4. Ren<strong>de</strong>ment <strong>du</strong> moteur .............................................................................................. Page -36-<br />

5. Fréquence <strong>du</strong> moteur ................................................................................................ Page -37-<br />

a- Mesure <strong>de</strong> la fréquence ................................................................................................. Page -37-<br />

b- Paramètres influant sur la fréquence ............................................................................. Page -38-<br />

c- Confrontation <strong>de</strong>s résultats avec la simulation et le modèle simplifié .......................... Page -39-<br />

V/ Conclusion ............................................................................................................................ Page -40-<br />

VI/ Glossaire .............................................................................................................................. Page -41-<br />

VII/ Remerciements .................................................................................................................... Page -41-<br />

Annexe n°1 : Thermocouple ....................................................................................................... Page -42-<br />

Annexe n°2 : Programme ........................................................................................................... Page -45-<br />

Annexe n°3 : Forum .................................................................................................................... Page -50-<br />

©Thibaut Besacier, Morgan Fouillat, Vincent Joyet – <strong>pop</strong><strong>pop</strong>tarare@free.fr


Présentation<br />

<strong>Le</strong> <strong>retour</strong> <strong>du</strong> <strong>pop</strong>-<strong>pop</strong><br />

- Etablissement : Lycée René Cassin, à Tarare (69)<br />

- Elèves <strong>du</strong> groupe : Thibaut BESACIER, Morgan FOUILLAT, Vincent JOYET, élèves en<br />

terminale scientifique, option sciences <strong>de</strong> l’ingénieur<br />

- Professeur coordinateur : Mustapha ERRAMI<br />

- Professeur collaborateur : Fabien BRUNO<br />

- Partenaires : Rectorat <strong>de</strong> l’académie <strong>de</strong> Lyon<br />

Conseil Régional <strong>de</strong> Rhône-Alpes<br />

Université Clau<strong>de</strong> Bernard <strong>de</strong> Lyon, M. Roger DUFFAIT<br />

ENS <strong>de</strong> Lyon, M. Ludovic JAUBERT<br />

Ecole Centrale <strong>de</strong> Lyon, M. Florent JOYET<br />

De gauche à droite : M. Fabien BRUNO, Thibaut BESACIER, Morgan FOUILLAT, Vincent JOYET et M. Mustapha ERRAMI<br />

©Thibaut Besacier, Morgan Fouillat, Vincent Joyet – <strong>pop</strong><strong>pop</strong>tarare@free.fr<br />

3<br />

2009<br />

2010


2009<br />

2010<br />

Résumé <strong>du</strong> projet<br />

4<br />

<strong>Le</strong> <strong>retour</strong> <strong>du</strong> <strong>pop</strong>-<strong>pop</strong><br />

Non… Ce n’est pas un voyage en musique que l’on vous propose, mais en bateau !<br />

Il y a quelques mois, le grand-père d’un <strong>de</strong>s membres <strong>du</strong> groupe découvre dans une vieille malle<br />

un <strong>de</strong> ses jouets d’antan : un bateau <strong>de</strong> fer blanc émettant un bruit singulier lors <strong>de</strong> son<br />

fonctionnement. Intrigués par le mo<strong>de</strong> <strong>de</strong> propulsion utilisé, nous décidons <strong>de</strong> nous intéresser <strong>de</strong><br />

plus près à cet étrange mécanisme.<br />

Immédiatement, nous i<strong>de</strong>ntifions la technologie qu’il convient d’appeler « <strong>pop</strong>-<strong>pop</strong> » en référence<br />

au son émis, rappelant celui d’un moteur diesel marin. Il semblerait que ce système complexe repose<br />

sur <strong>de</strong>s cycles <strong>de</strong> vaporisation-con<strong>de</strong>nsation <strong>de</strong> l’eau, et qu’il permette <strong>de</strong> propulser un bateau avec<br />

une simple source <strong>de</strong> chaleur, qui peut utiliser une énergie renouvelable (bioéthanol par exemple),<br />

sans aucune pièce mécanique en mouvement.<br />

Nous avons alors défini la problématique qui nous a guidés tout au long <strong>du</strong> projet :<br />

« Sur quels phénomènes physiques repose le fonctionnement d’un tel moteur, et quelles<br />

peuvent être ses applications pratiques ? »<br />

Notre projet a alors consisté en plusieurs phases. Tout d’abord, il nous est apparu essentiel <strong>de</strong><br />

comprendre les phénomènes physiques mis en jeu. Pour ce faire, nous avons imaginé une expérience<br />

nous permettant <strong>de</strong> visualiser le phénomène grâce à <strong>de</strong>s tubes transparents. Dans la foulée, et dans<br />

l’optique <strong>de</strong> faciliter l’explication <strong>du</strong> phénomène à nos différents interlocuteurs que nous sommes<br />

amenés à rencontrer au cours <strong>du</strong> projet, nous avons décidé <strong>de</strong> simuler informatiquement le<br />

phénomène. Ensuite, nous avons mis en pratique nos observations et avons réalisé notre propre<br />

moteur <strong>pop</strong>-<strong>pop</strong>, que nous avons installé sur un bateau dont nous avons réalisé le téléguidage. Enfin,<br />

l’ultime phase <strong>du</strong> projet, a consisté à étudier l’influence <strong>de</strong> différents paramètres <strong>du</strong> moteur grâce à<br />

plusieurs mesures, et les applications possibles d’une telle technologie.<br />

Soulignons pour finir que nous nous sommes attachés à respecter une démarche scientifique<br />

rigoureuse et que nous avons délibérément accordé une place importante à l’expérimentation dans<br />

notre approche <strong>de</strong>s phénomènes mis en jeu. En effet, il semblerait prétentieux <strong>de</strong> prétendre à un<br />

développement théorique complet sur la question, dans la mesure où les connaissances nécessaires<br />

en thermodynamique notamment ne nous sont pas enseignées au lycée. Ainsi, nous avons préféré<br />

vali<strong>de</strong>r certaines suppositions par l’expérience plutôt que par la théorie dans le cas où les pré-requis<br />

nécessaires étaient hors <strong>de</strong> notre portée.<br />

Bateau jouet propulsé par un moteur <strong>pop</strong>-<strong>pop</strong><br />

©Thibaut Besacier, Morgan Fouillat, Vincent Joyet – <strong>pop</strong><strong>pop</strong>tarare@free.fr


I/ Observations<br />

1. Historique<br />

<strong>Le</strong> <strong>retour</strong> <strong>du</strong> <strong>pop</strong>-<strong>pop</strong><br />

100 ans avant J.-C., Héron d'Alexandrie (mathématicien grec) conçut une sphère remplie d'eau qui<br />

était munie <strong>de</strong> 2 tubes coudés sortant <strong>de</strong> manière opposée, et cette sphère tournait sur un axe au<strong>de</strong>ssus<br />

d'un feu à cause <strong>de</strong> la sortie <strong>de</strong> vapeur. Cette trouvaille, dénommée l’éolipyle <strong>de</strong>vait<br />

ressembler à cela :<br />

Éolipyle<br />

<strong>Le</strong> fonctionnement <strong>du</strong> moteur <strong>pop</strong>-<strong>pop</strong> repose en fait sur le même principe, à ceci près que<br />

l’échappement intervient dans l’eau.<br />

En 1891, l’Anglais Désiré Thomas Piot déposa une <strong>de</strong>man<strong>de</strong> <strong>de</strong> brevet portant sur <strong>de</strong>s<br />

générateurs <strong>de</strong> vapeur, déclarant lors <strong>de</strong> sa <strong>de</strong>man<strong>de</strong> : « mon invention est spécialement utile dans le<br />

cas <strong>de</strong> bateaux jouets où la propulsion est pro<strong>du</strong>ite par l’action directe <strong>de</strong> la vapeur d’eau ». Son<br />

brevet fut alors exploité jusque vers les années 1920 par divers constructeurs <strong>de</strong> jouets en Gran<strong>de</strong>-<br />

Bretagne, aux USA et en Allemagne. Cependant il ne s’agit pas là <strong>du</strong> véritable moteur <strong>pop</strong>-<strong>pop</strong>, car le<br />

système imaginé par Piot était silencieux. Son moteur était constitué d’un serpentin contenant <strong>de</strong><br />

l’eau, chauffée par une source <strong>de</strong> chaleur. <strong>Le</strong>s <strong>de</strong>ux extrémités <strong>du</strong> serpentin sortaient à l’arrière <strong>du</strong><br />

bateau sous la ligne <strong>de</strong> flottaison.<br />

En 1924, l’Américain C. J. Mc Hugh apporta une modification au procédé <strong>de</strong> Piot : il ajouta une<br />

membrane sur le moteur, vibrant grâce à <strong>de</strong>s différences <strong>de</strong> pression, ce qui permettait <strong>de</strong> recréer le<br />

bruit <strong>de</strong> moteur marin. Désormais, tous les bateaux jouets utilisant ce système <strong>de</strong> propulsion étaient<br />

<strong>du</strong> type Piot-Mc Hugh et faisaient <strong>du</strong> bruit, le moteur « <strong>pop</strong>-<strong>pop</strong> » était né !<br />

Alors qu’ils ont peu à peu disparu en Europe, les moteurs <strong>pop</strong>-<strong>pop</strong> connaissent un grand succès<br />

en In<strong>de</strong>, Chine, Japon, Indonésie, et Pakistan où ils font encore aujourd’hui l’objet <strong>de</strong> pro<strong>du</strong>ction en<br />

gran<strong>de</strong> série. Remarquons <strong>de</strong> plus que <strong>de</strong> tels engins suscitent toujours l’intérêt : en effet, le<br />

réalisateur japonais Hayao Miyazaki accor<strong>de</strong> une place importante au moteur <strong>pop</strong>-<strong>pop</strong> dans son film<br />

Ponyo sur la falaise, sorti en 2009.<br />

©Thibaut Besacier, Morgan Fouillat, Vincent Joyet – <strong>pop</strong><strong>pop</strong>tarare@free.fr<br />

5<br />

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2010


2009<br />

2010<br />

6<br />

<strong>Le</strong> <strong>retour</strong> <strong>du</strong> <strong>pop</strong>-<strong>pop</strong><br />

2. Expérience préliminaire<br />

Dans un premier temps, il nous est apparu essentiel <strong>de</strong> comprendre les phénomènes physiques<br />

mis en jeu, car le fonctionnement <strong>de</strong> l’engin nous paraissait mystérieux au premier abord. Pour cela,<br />

nous avons imaginé une simple expérience recréant le phénomène. Nous avons utilisé un tube à<br />

essai que nous avons coupé afin d’obtenir une longueur d’environ 5 cm, puis avons obstrué sa sortie<br />

avec un bouchon dans lequel nous avons inséré un tuyau <strong>de</strong> 4 mm. Une fois ce montage rempli<br />

d’eau, et l’extrémité <strong>du</strong> petit tuyau plongée dans <strong>de</strong> l’eau, nous l’avons chauffé. Précisons que<br />

l’ensemble <strong>de</strong>s supports et <strong>de</strong>s matériels nécessaires pour cette expérience a été confectionné par<br />

nos soins.<br />

Dispositif expérimental :<br />

support<br />

support <strong>du</strong> brûleur<br />

tube à essai découpé<br />

tuyau (ø 4mm)<br />

Voici le déroulement <strong>de</strong> l’expérience :<br />

Début <strong>du</strong> chauffage<br />

bioéthanol<br />

brûleur<br />

bouchon<br />

©Thibaut Besacier, Morgan Fouillat, Vincent Joyet – <strong>pop</strong><strong>pop</strong>tarare@free.fr


Quelques minutes après que nous<br />

ayons allumé la bougie, nous avons<br />

observé la vaporisation d’une partie<br />

<strong>de</strong> l’eau contenue dans le tube (à<br />

savoir sous la bougie, donc en haut<br />

<strong>du</strong> tube à essais)…<br />

<strong>Le</strong> <strong>retour</strong> <strong>du</strong> <strong>pop</strong>-<strong>pop</strong><br />

Nous avons ainsi pu observer <strong>de</strong>ux phases, vaporisation puis liquéfaction, créant <strong>de</strong>s allers et<br />

<strong>retour</strong>s d’eau, déjà présents sur le bateau jouet, lui permettant d’avancer. Nous allons revenir plus<br />

en détail sur ces points dans la partie suivante, mais retenons simplement que cette expérience<br />

astucieuse nous a permis <strong>de</strong> nous familiariser avec ce phénomène, qui est à première vue très<br />

surprenant.<br />

©Thibaut Besacier, Morgan Fouillat, Vincent Joyet – <strong>pop</strong><strong>pop</strong>tarare@free.fr<br />

7<br />

2009<br />

2010<br />

… puis un mouvement d’eau continu<br />

se pro<strong>du</strong>it dans le tube en verre <strong>de</strong> 4<br />

mm (un aller et <strong>retour</strong> sur environ 2<br />

ou 3 cm). <strong>Le</strong> phénomène a <strong>du</strong>ré<br />

jusqu'à ce qu’il n’y ait plus <strong>de</strong><br />

bioéthanol dans le brûleur.


2009<br />

2010<br />

8<br />

<strong>Le</strong> <strong>retour</strong> <strong>du</strong> <strong>pop</strong>-<strong>pop</strong><br />

II/ Modélisation<br />

1. Explication <strong>du</strong> phénomène<br />

a- <strong>Le</strong>s différentes phases<br />

Grâce à nos observations effectuées lors <strong>de</strong> l’expérience décrite dans la première partie, nous<br />

avons pu décomposer le phénomène <strong>pop</strong>-<strong>pop</strong> en plusieurs phases qui, en réalité, se succè<strong>de</strong>nt très<br />

rapi<strong>de</strong>ment, formant ainsi un cycle continu et ininterrompu.<br />

Après plusieurs secon<strong>de</strong>s <strong>de</strong> chauffage (environ<br />

30 secon<strong>de</strong>s), la température <strong>de</strong> l’eau présente<br />

dans la partie supérieure <strong>du</strong> tube augmente<br />

jusqu’à ce qu’elle parvienne à sa température <strong>de</strong><br />

vaporisation. Ainsi, une partie <strong>de</strong> l’eau se<br />

vaporise et <strong>de</strong> la vapeur dite saturée se forme. Il<br />

s’agit d’un mélange <strong>de</strong> gaz et <strong>de</strong><br />

microgouttelettes d’eau liqui<strong>de</strong>. La vapeur<br />

formée repousse l'eau vers le bas <strong>du</strong> tube car, à<br />

la pression atmosphérique et à 100°C, la masse<br />

volumique <strong>de</strong> l’eau est <strong>de</strong> 958kg/m 3 , tandis que<br />

celle <strong>de</strong> la vapeur est <strong>de</strong> 0,59kg/m 3 . Une goutte<br />

d’eau liqui<strong>de</strong> qui se vaporise occupe donc<br />

environ 1623 fois plus <strong>de</strong> place à l’état gazeux<br />

(ce mouvement d’eau est symbolisé par les<br />

flèches bleues sur le schéma).<br />

<strong>Le</strong> tube à essai est rempli d’eau en<br />

totalité et l’extrémité <strong>du</strong> petit tube<br />

en verre est plongée dans l’eau. Une<br />

source <strong>de</strong> chaleur est placée sous la<br />

partie supérieure <strong>du</strong> tube à essais.<br />

©Thibaut Besacier, Morgan Fouillat, Vincent Joyet – <strong>pop</strong><strong>pop</strong>tarare@free.fr


Suite à cet état d’équilibre, étant donné<br />

que la vapeur se rapproche <strong>du</strong> bas <strong>du</strong><br />

tube, où la température est moins<br />

élevée (zone éloignée <strong>de</strong> la flamme et<br />

proche <strong>de</strong> l’eau « froi<strong>de</strong> » dans laquelle<br />

baigne le bas <strong>du</strong> tube), elle se liquéfie.<br />

Cette liquéfaction est brutale et crée<br />

ainsi une dépression à l’origine <strong>de</strong><br />

l’aspiration <strong>de</strong> l’eau (voir « c- Expérience<br />

<strong>de</strong> la canette »). L’eau liqui<strong>de</strong> arrive<br />

donc dans le haut <strong>du</strong> tube où la<br />

température avoisine les 100°C, d’où sa<br />

vaporisation : le cycle recommence…<br />

<strong>Le</strong> <strong>retour</strong> <strong>du</strong> <strong>pop</strong>-<strong>pop</strong><br />

©Thibaut Besacier, Morgan Fouillat, Vincent Joyet – <strong>pop</strong><strong>pop</strong>tarare@free.fr<br />

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2009<br />

2010<br />

La pro<strong>du</strong>ction <strong>de</strong> vapeur saturée est désormais<br />

stoppée. Cependant, il y a formation d’une<br />

autre vapeur appelée vapeur surchauffée,<br />

pro<strong>du</strong>ite, comme son nom l’indique lorsque l’on<br />

surchauffe <strong>de</strong> la vapeur saturée. Ainsi suivant<br />

l’équation <strong>de</strong>s gaz parfaits (PV=nRT), étant<br />

donné que la température <strong>du</strong> gaz augmente,<br />

son volume augmente aussi, ce qui explique<br />

que l’eau progresse toujours vers le bas <strong>du</strong><br />

tube. Puis le phénomène arrive à un état<br />

d’équilibre pendant lequel l’expansion <strong>de</strong> la<br />

vapeur est stoppée, stabilisant ainsi la<br />

progression <strong>de</strong> l’eau.


2009<br />

2010<br />

10<br />

<strong>Le</strong> <strong>retour</strong> <strong>du</strong> <strong>pop</strong>-<strong>pop</strong><br />

b- Explication <strong>de</strong> la propulsion <strong>du</strong> bateau<br />

L’explication <strong>de</strong> la propulsion <strong>du</strong> bateau s’appuie sur l’utilisation <strong>du</strong> théorème <strong>de</strong> la résultante<br />

cinétique, généralisation <strong>de</strong> la <strong>de</strong>uxième loi <strong>de</strong> Newton vue en terminale S.<br />

1. <strong>Le</strong> théorème <strong>de</strong> la résultante cinétique :<br />

Ce théorème fait intervenir la quantité <strong>de</strong> mouvement ou résultante cinétique d’un système :<br />

pour un soli<strong>de</strong> unique <strong>de</strong> masse m<br />

pour un système constitué d’un ensemble d’objets <strong>de</strong> masse mi<br />

D’après le théorème <strong>de</strong> la résultante cinétique, la variation <strong>de</strong> la résultante cinétique d’un système<br />

est égale à la résultante <strong>de</strong>s forces extérieures appliquées au système :<br />

On remarque que dans le cas d’un soli<strong>de</strong> unique <strong>de</strong> masse m constante, on retrouve la <strong>de</strong>uxième loi<br />

<strong>de</strong> Newton :<br />

implique, comme et est constante :<br />

Dans notre cas, pour privilégier la compréhension à l’exactitu<strong>de</strong>, nous allons considérer un système<br />

soumis à <strong>de</strong>s forces qui se compensent.<br />

<strong>Le</strong> théorème <strong>de</strong> la résultante cinétique s’écrit alors :<br />

Dans ce cas, la résultante cinétique <strong>du</strong> système est égale à un vecteur constant.<br />

Passons maintenant à l’étu<strong>de</strong> <strong>de</strong>s <strong>de</strong>ux phases <strong>de</strong> propulsion <strong>du</strong> moteur <strong>pop</strong>-<strong>pop</strong>.<br />

2. Première phase : l’expulsion <strong>de</strong> l’eau par le moteur <strong>pop</strong>-<strong>pop</strong><br />

Dans la première phase <strong>de</strong> la propulsion, l’eau présente dans le tube est expulsée :<br />

©Thibaut Besacier, Morgan Fouillat, Vincent Joyet – <strong>pop</strong><strong>pop</strong>tarare@free.fr


<strong>Le</strong> <strong>retour</strong> <strong>du</strong> <strong>pop</strong>-<strong>pop</strong><br />

Du fait <strong>de</strong> la forme <strong>du</strong> tube et <strong>du</strong> déplacement <strong>de</strong> l’eau dans le tube, on peut faire l’hypothèse que le<br />

liqui<strong>de</strong> est expulsé en gran<strong>de</strong> partie dans la direction <strong>du</strong> tube.<br />

Appliquons alors le théorème <strong>de</strong> la résultante cinétique à la tranche d’eau contenue dans le tube<br />

entre <strong>de</strong>ux instants représentés ci-<strong>de</strong>ssous :<br />

Avant expulsion d’une quantité d’eau :<br />

Après l’expulsion d’une quantité d’eau :<br />

D’après le théorème, la résultante cinétique est conservée (on considère que les forces qui<br />

s’appliquent sur le système se compensent à tout instant), ainsi :<br />

D’où<br />

Entre les <strong>de</strong>ux instants considérés, l’accroissement <strong>de</strong> la résultante cinétique <strong>du</strong> système est donc<br />

égale à . L’eau sortant par l’arrière <strong>du</strong> bateau, le bateau est donc accéléré vers l’avant.<br />

3. Deuxième phase : l’aspiration d’une quantité d’eau par le moteur <strong>pop</strong>-<strong>pop</strong><br />

Dans la <strong>de</strong>uxième phase <strong>de</strong> la propulsion, <strong>de</strong> l’eau présente dans le milieu entourant le bateau est<br />

aspirée :<br />

©Thibaut Besacier, Morgan Fouillat, Vincent Joyet – <strong>pop</strong><strong>pop</strong>tarare@free.fr<br />

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2009<br />

2010


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2010<br />

12<br />

<strong>Le</strong> <strong>retour</strong> <strong>du</strong> <strong>pop</strong>-<strong>pop</strong><br />

Contrairement à la première phase, le liqui<strong>de</strong> aspiré n’est guidé par aucun tube ou autre<br />

dispositif. Cette eau aspirée viendra donc <strong>de</strong> toutes les directions possibles. Cette différence est<br />

fondamentale pour comprendre la suite.<br />

En effet, supposons que le tube ne perturbe pas l’écoulement pro<strong>du</strong>it par la dépression <strong>du</strong> tube<br />

<strong>du</strong> moteur <strong>pop</strong>-<strong>pop</strong>. Alors l’écoulement <strong>de</strong> l’eau pourra alors être qualifié d’isotrope (l’écoulement<br />

se fait <strong>de</strong> la même manière dans toutes les directions).<br />

Ainsi la résultante cinétique <strong>de</strong> l’eau entrant dans le tube sera nulle :<br />

Si on applique à présent notre théorème <strong>de</strong> la résultante cinétique à une tranche <strong>de</strong> flui<strong>de</strong> entre<br />

<strong>de</strong>ux instants représentés ci-<strong>de</strong>ssous :<br />

Avant l’aspiration d’une quantité d’eau (bien enten<strong>du</strong>, la présence <strong>du</strong> tube perturbe l’entrée <strong>de</strong><br />

l’eau, ce que nous négligeons pour cette explication) :<br />

©Thibaut Besacier, Morgan Fouillat, Vincent Joyet – <strong>pop</strong><strong>pop</strong>tarare@free.fr


Après l’aspiration d’une quantité d’eau :<br />

<strong>Le</strong> <strong>retour</strong> <strong>du</strong> <strong>pop</strong>-<strong>pop</strong><br />

<strong>Le</strong> théorème dit, <strong>de</strong> nouveau, que la résultante cinétique est conservée (on considère que les forces<br />

qui s’appliquent sur le système se compensent à tout instant), ainsi :<br />

Or<br />

D’où<br />

Entre les <strong>de</strong>ux instants considérés, si l’entrée d’eau est parfaitement isotrope, l’accroissement <strong>de</strong><br />

la résultante cinétique <strong>du</strong> système est nul. Dans ce cas, le bateau n’est ni accéléré, ni ralenti.<br />

4. Conclusion :<br />

La propulsion <strong>du</strong> moteur <strong>pop</strong>-<strong>pop</strong> est une suite d’expulsion d’eau accélérant le bateau et<br />

d’aspiration d’eau n’ayant aucune influence sur le bateau. On comprend alors que cette succession<br />

<strong>de</strong> <strong>de</strong>ux phases permet la poussée <strong>du</strong> bateau par le moteur <strong>pop</strong>-<strong>pop</strong>.<br />

5. Illustration expérimentale :<br />

Nous avons réalisé une expérience pour illustrer les explications ci-<strong>de</strong>ssus.<br />

Dispositif expérimental :<br />

voiture<br />

épingle<br />

©Thibaut Besacier, Morgan Fouillat, Vincent Joyet – <strong>pop</strong><strong>pop</strong>tarare@free.fr<br />

ballon<br />

13<br />

2009<br />

2010


2009<br />

2010<br />

14<br />

<strong>Le</strong> <strong>retour</strong> <strong>du</strong> <strong>pop</strong>-<strong>pop</strong><br />

Expérience 1 : simulation <strong>de</strong> la phase d’expulsion<br />

Lorsque nous lâchons simplement le ballon, la voiture avance dans le sens inverse <strong>de</strong> celui dans<br />

lequel l’air s’évacue.<br />

Expérience 2 : simulation <strong>de</strong> la phase d’aspiration<br />

Lorsque nous perçons le ballon à l’ai<strong>de</strong> d’une épingle, l’air s’échappe dans toutes les directions et<br />

la voiture ne bouge pas.<br />

Conclusion :<br />

Avant <strong>de</strong> lâcher le ballon Après avoir lâché le ballon<br />

Avant <strong>de</strong> percer le ballon Après avoir percé le ballon<br />

Dans les <strong>de</strong>ux expériences, la même quantité d’air est expulsée, mais on observe une poussée<br />

uniquement dans le premier cas, cas dans lequel le flui<strong>de</strong> se voit imposer une direction d’écoulement<br />

privilégiée.<br />

©Thibaut Besacier, Morgan Fouillat, Vincent Joyet – <strong>pop</strong><strong>pop</strong>tarare@free.fr


c- Expérience <strong>de</strong> la canette<br />

<strong>Le</strong> <strong>retour</strong> <strong>du</strong> <strong>pop</strong>-<strong>pop</strong><br />

Afin <strong>de</strong> mettre en évi<strong>de</strong>nce expérimentalement le fait que la liquéfaction brutale engendre une<br />

dépression permettant le <strong>retour</strong> <strong>de</strong> l’eau dans le moteur, nous avons réalisé une simple expérience<br />

avec une canette <strong>de</strong> soda.<br />

Dispositif expérimental :<br />

potence<br />

bec Bunsen<br />

gant ignifugé<br />

©Thibaut Besacier, Morgan Fouillat, Vincent Joyet – <strong>pop</strong><strong>pop</strong>tarare@free.fr<br />

Après avoir versé un fond d’eau<br />

dans la canette, nous l’avons<br />

chauffée à l’ai<strong>de</strong> d’un bec Bunsen<br />

jusqu’à ébullition.<br />

15<br />

2009<br />

2010<br />

canette <strong>de</strong> soda<br />

cristallisoir


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2010<br />

Nous laissons l’eau à ébullition<br />

quelques instants puis plongeons la<br />

canette à l’ai<strong>de</strong> d’un gant ignifugé<br />

dans un cristallisoir rempli d’eau<br />

froi<strong>de</strong>.<br />

16<br />

<strong>Le</strong> <strong>retour</strong> <strong>du</strong> <strong>pop</strong>-<strong>pop</strong><br />

La contrainte <strong>de</strong> température est<br />

telle que la con<strong>de</strong>nsation est<br />

brutale, créant ainsi une forte<br />

dépression.<br />

<strong>Le</strong> résultat est impressionnant !<br />

©Thibaut Besacier, Morgan Fouillat, Vincent Joyet – <strong>pop</strong><strong>pop</strong>tarare@free.fr


0<br />

<strong>Le</strong> <strong>retour</strong> <strong>du</strong> <strong>pop</strong>-<strong>pop</strong><br />

2. Simulation informatique<br />

Après avoir amélioré nos connaissances sur le phénomène, et après l’avoir décomposé en<br />

plusieurs phases dans la partie précé<strong>de</strong>nte, nous avons décidé <strong>de</strong> le modéliser grâce à l’ai<strong>de</strong><br />

précieuse <strong>de</strong> M. Fabien Bruno, à l’ai<strong>de</strong> <strong>du</strong> logiciel Scilab®. Pour cela, nous nous sommes appuyés sur<br />

la décomposition en plusieurs phases <strong>du</strong> phénomène, et avons séparé le tube en plusieurs tronçons.<br />

Schéma <strong>du</strong> modèle utilisé (vue <strong>de</strong> <strong>de</strong>ssus):<br />

gaz eau<br />

La température <strong>du</strong> tube est fixée par la courbe suivante, obtenue grâce au thermocouple (voir<br />

Annexe n°1). On en dé<strong>du</strong>it <strong>de</strong>ux droites :<br />

- pour x ≤ 2,24cm T(x) = -37777,778.x + 1200,8<br />

- pour x > 2,24cm T(x) = -351,8.x + 362<br />

Modélisation :<br />

température en °C<br />

900<br />

800<br />

700<br />

600<br />

500<br />

400<br />

300<br />

200<br />

100<br />

0<br />

0 0,05 0,1 0,15 0,2<br />

position en cm (à partir <strong>du</strong> haut <strong>du</strong> tube)<br />

Afin <strong>de</strong> réaliser le programme, nous avons d’abord réalisé un "diagramme" décomposant le<br />

phénomène en plusieurs étapes. Nous avons réalisé cette simulation en utilisant la métho<strong>de</strong> d’Euler,<br />

métho<strong>de</strong> abordée en cours <strong>de</strong> physique en Terminale.<br />

©Thibaut Besacier, Morgan Fouillat, Vincent Joyet – <strong>pop</strong><strong>pop</strong>tarare@free.fr<br />

mesures<br />

modèle<br />

17<br />

2009<br />

2010<br />

eau<br />

x


2009<br />

2010<br />

18<br />

<strong>Le</strong> <strong>retour</strong> <strong>du</strong> <strong>pop</strong>-<strong>pop</strong><br />

0/ Hypothèses :<br />

La température <strong>du</strong> tube obéit aux équations associées aux droites ci-<strong>de</strong>ssus.<br />

A l’instant t=0, la première tranche d’eau est à 80°C et la <strong>de</strong>rnière à 20°C.<br />

1/ 2 ème loi <strong>de</strong> Newton<br />

me.a = S x (Pgaz – Patm), avec a accélération <strong>du</strong> cylindre en m.s -2 , S surface <strong>de</strong> l’interface en m²,<br />

Pgaz la pression <strong>du</strong> gaz en Pa et Patm la pression atmosphérique (à la sortie <strong>du</strong> tube) en Pa, me<br />

la masse <strong>de</strong> l’eau qui se déplace en kg<br />

On en dé<strong>du</strong>it v(t) et x(t). En effet d’après leurs définitions et l’utilisation <strong>de</strong> la métho<strong>de</strong><br />

d’Euler :<br />

implique dans la métho<strong>de</strong> d’Euler<br />

implique dans la métho<strong>de</strong> d’Euler<br />

2/ Echange <strong>de</strong> chaleur <strong>de</strong>s tranches d’eau<br />

Plusieurs échanges sont à prendre en compte :<br />

Echange avec le tube<br />

Echange avec les autres tranches d’eau<br />

Echange avec le gaz (1 ère tranche d’eau)<br />

La loi physique utilisée pour ces échanges est la loi <strong>de</strong> Fourier :<br />

avec j le flux surfacique d’énergie thermique, le coefficient <strong>de</strong> diffusion<br />

thermique <strong>du</strong> milieu, T (en K) la différence <strong>de</strong> température sur l’intervalle x (en m).<br />

Si la température d’une tranche, ainsi obtenue, est supérieure à 100°C, un<br />

changement d’état intervient : une partie <strong>de</strong> l’eau liqui<strong>de</strong> est vaporisée (le surplus <strong>de</strong><br />

chaleur pour chauffer la tranche dont la température est supérieure à 100°C sert à<br />

vaporiser <strong>de</strong> l’eau). La température <strong>de</strong> la tranche est donc ramenée à 100 °C<br />

3/ Echange <strong>de</strong> chaleur <strong>du</strong> gaz<br />

Plusieurs échanges sont à prendre en compte :<br />

Echange avec le tube<br />

Echange avec l’eau<br />

Si la température <strong>du</strong> gaz, ainsi obtenue, est inférieure à 100°, un changement d’état<br />

intervient : une partie <strong>de</strong> l’eau gazeuse est liquéfiée (la chaleur nécessaire à<br />

maintenir le gaz à 100°C vient <strong>de</strong> la liquéfaction <strong>de</strong> la vapeur d’eau). La température<br />

<strong>du</strong> gaz est donc ramenée à 100 °C.<br />

4/ A partir <strong>de</strong> Tgaz obtenue, ngaz et x(t)<br />

A l’ai<strong>de</strong> <strong>de</strong> l’équation <strong>de</strong>s gaz parfaits pV = nRT, on obtient Pgaz.<br />

=> Retour au 1/.<br />

On obtient ainsi le programme joint en Annexe n°2.<br />

Ce programme nous a permis d’obtenir différentes courbes, afin <strong>de</strong> comparer la simulation au<br />

phénomène réel.<br />

©Thibaut Besacier, Morgan Fouillat, Vincent Joyet – <strong>pop</strong><strong>pop</strong>tarare@free.fr


<strong>Le</strong> <strong>retour</strong> <strong>du</strong> <strong>pop</strong>-<strong>pop</strong><br />

Position <strong>de</strong> l’interface en fonction <strong>du</strong> temps<br />

Suite à <strong>de</strong>s mesures sur le tube en verre, la courbe obtenue ci-<strong>de</strong>ssus correspond bien au<br />

phénomène réel car l’interface se situe en moyenne à 4 cm <strong>du</strong> bout <strong>du</strong> petit tube dans les <strong>de</strong>ux cas.<br />

Température <strong>du</strong> gaz en fonction <strong>du</strong> temps<br />

Ce graphique correspond bien à la réalité, car à l’ai<strong>de</strong> <strong>du</strong> thermocouple (voir Annexe n°1), nous<br />

avons établi que la température moyenne <strong>du</strong> gaz était bien <strong>de</strong> 300°C.<br />

©Thibaut Besacier, Morgan Fouillat, Vincent Joyet – <strong>pop</strong><strong>pop</strong>tarare@free.fr<br />

19<br />

2009<br />

2010


2009<br />

2010<br />

20<br />

<strong>Le</strong> <strong>retour</strong> <strong>du</strong> <strong>pop</strong>-<strong>pop</strong><br />

Variation <strong>de</strong> pression en fonction <strong>du</strong> temps<br />

Ce graphique permet d’expliquer les allers et <strong>retour</strong>s d’eau par les variations <strong>de</strong> la pression à<br />

l’intérieur <strong>du</strong> tube.<br />

Quantité <strong>de</strong> matière <strong>de</strong> gaz en fonction <strong>du</strong> temps<br />

La courbe permet <strong>de</strong> montrer que la quantité <strong>de</strong> matière <strong>de</strong> gaz formé tend vers une valeur finie,<br />

ce qui montre bien que l’aller et <strong>retour</strong> est dû à un gaz surchauffé qui se dilate et se comprime sous<br />

l’effet <strong>de</strong> la chaleur et non à une suite <strong>de</strong> cycles vaporisation-con<strong>de</strong>nsation.<br />

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<strong>Le</strong> <strong>retour</strong> <strong>du</strong> <strong>pop</strong>-<strong>pop</strong><br />

Conclusion :<br />

Cette simulation nous a donc permis d’approfondir nos connaissances sur le phénomène,<br />

notamment en le décomposant très précisément. De plus, en comparant avec le phénomène réel,<br />

nous avons vu que la simulation correspond bien, et nous avons ainsi découvert grâce aux résultats<br />

<strong>de</strong> nouvelles précisions concernant le phénomène : il commence par <strong>de</strong>s cycles <strong>de</strong> vaporisationcon<strong>de</strong>nsation,<br />

comme nous l’avons trouvé dans la littérature, mais la quantité <strong>de</strong> matière <strong>de</strong> gaz se<br />

stabilise au cours <strong>du</strong> temps. Une fois les oscillations stabilisées, les allers et <strong>retour</strong>s d’eau sont dûs à<br />

une suite <strong>de</strong> dilatations-compressions <strong>du</strong> gaz.<br />

3. Mise en équation d’un modèle simplifié :<br />

Nous avons, en plus <strong>de</strong> la simulation, réalisé une mise en équation d’un modèle simplifié, inspirée<br />

<strong>de</strong> la mise en équation <strong>du</strong> résonateur <strong>de</strong> Helmholtz.<br />

On représente le modèle simplifié <strong>de</strong> la manière suivante :<br />

1/ Hypothèses :<br />

Dans l’évaporateur, la température est uniforme et constante (hypothèse erronée au regard<br />

<strong>de</strong> la simulation).<br />

L’eau sous forme liqui<strong>de</strong> et vapeur se déplace (en « bloque ») <strong>de</strong> la même manière (x) par<br />

rapport à une position initiale d’équilibre (0) dans le petit tube. La pression est uniforme<br />

dans le petit tube.<br />

On néglige tout phénomène <strong>de</strong> friction.<br />

2/ Mise en équation <strong>du</strong> petit tube :<br />

D’après la <strong>de</strong>uxième loi <strong>de</strong> Newton :<br />

Soit<br />

P, T,<br />

Evaporateur<br />

Avec m : la masse <strong>de</strong> l’eau déplacée et V le volume vapeur d’eau contenue dans le petit tube. La<br />

masse d’eau déplacée étant très gran<strong>de</strong> <strong>de</strong>vant la masse <strong>de</strong> vapeur d’eau contenue dans le petit<br />

tube, on a d’où<br />

©Thibaut Besacier, Morgan Fouillat, Vincent Joyet – <strong>pop</strong><strong>pop</strong>tarare@free.fr<br />

, S<br />

0 x<br />

Petit tube<br />

(E1)<br />

P0<br />

21<br />

2009<br />

2010


2009<br />

2010<br />

22<br />

<strong>Le</strong> <strong>retour</strong> <strong>du</strong> <strong>pop</strong>-<strong>pop</strong><br />

Ou (E1)<br />

Avec : la vitesse <strong>de</strong> l’eau déplacée dans le petit tube<br />

3/ Mise en équation <strong>de</strong> l’évaporateur :<br />

La conservation <strong>de</strong> la masse <strong>de</strong> vapeur à l’intérieur <strong>de</strong> l’évaporateur (notée ) nous donne :<br />

Cette équation dit que « la variation <strong>de</strong> la masse <strong>de</strong> vapeur présent à l’intérieur <strong>de</strong> l’évaporateur,<br />

est égale à la masse <strong>de</strong> vapeur sortant <strong>de</strong> l’évaporateur ».<br />

En appelant Vév le volume, constant, <strong>de</strong> l’évaporateur :<br />

On obtient :<br />

Avec : la vitesse <strong>de</strong> l’eau déplacée dans le petit tube<br />

Or en considérant que T et Vév sont constants :<br />

D’après l’équation <strong>de</strong>s gaz parfaits :<br />

Ainsi<br />

Or la masse volumique <strong>de</strong> la vapeur d’eau (supposée régir comme un gaz parfait)<br />

En dérivant par rapport au temps :<br />

Si on injecte cette relation dans l’équation (E2), on obtient :<br />

<br />

(E2)<br />

Ou encore (E3)<br />

D’où<br />

Reprenons l’équation (E1) et dérivons-la par rapport au temps, on obtient (P0 est constante) :<br />

En remplaçant le obtenu ici, par le obtenu dans l’équation (E3), on obtient :<br />

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Soit<br />

D’où<br />

Enfin<br />

On a vu que d’où<br />

<strong>Le</strong> <strong>retour</strong> <strong>du</strong> <strong>pop</strong>-<strong>pop</strong><br />

On reconnait l’équation caractéristique d’un oscillateur harmonique, dont la pulsation est :<br />

D’où une fréquence d’oscillations :<br />

4/ Conclusion :<br />

Ce modèle simplifié permet <strong>de</strong> tirer les constatations suivantes :<br />

Première constatation : la fréquence <strong>de</strong>s oscillations diminue si le volume <strong>de</strong> l’évaporateur<br />

augmente. Cette constatation n’a pu être vérifiée avec la simulation numérique à l’heure où<br />

nous écrivons ce rapport.<br />

Deuxième constatation : la fréquence <strong>de</strong>s oscillations diminue si la section <strong>du</strong> petit tube<br />

diminue. Cette constatation a été vérifiée par la simulation numérique.<br />

Troisième constatation : la fréquence <strong>de</strong>s oscillations diminue si la masse d’eau déplacée<br />

augmente (tout en maintenant la section <strong>du</strong> petit tube). Cette constatation a été vérifiée par<br />

la simulation numérique.<br />

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23<br />

2009<br />

2010


2009<br />

2010<br />

III/ Application<br />

Réalisation <strong>du</strong> bateau<br />

24<br />

<strong>Le</strong> <strong>retour</strong> <strong>du</strong> <strong>pop</strong>-<strong>pop</strong><br />

Après avoir compris le phénomène <strong>pop</strong>-<strong>pop</strong>, nous avons décidé <strong>de</strong> construire notre propre<br />

moteur pour propulser une maquette <strong>de</strong> bateau.<br />

Réalisation <strong>de</strong> cloisons<br />

permettant d’isoler <strong>de</strong> la<br />

chaleur le reste <strong>du</strong> bateau<br />

Adaptation <strong>du</strong> gouvernail<br />

sur la coque <strong>du</strong> bateau<br />

Adaptation <strong>du</strong> moteur <strong>pop</strong>-<strong>pop</strong> sur le<br />

bateau (perçage <strong>de</strong> la coque) et<br />

réalisation d’un support pour la partie<br />

électrique<br />

©Thibaut Besacier, Morgan Fouillat, Vincent Joyet – <strong>pop</strong><strong>pop</strong>tarare@free.fr


Adaptation <strong>de</strong>s cloisons<br />

isolantes sur le bateau<br />

Peinture <strong>du</strong> bateau…<br />

<strong>Le</strong> <strong>retour</strong> <strong>du</strong> <strong>pop</strong>-<strong>pop</strong><br />

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Partie électrique permettant le<br />

pilotage à distance <strong>du</strong> bateau<br />

(servomoteur, radiocomman<strong>de</strong>,<br />

accumulateur et récepteur).<br />

25<br />

2009<br />

2010


2009<br />

2010<br />

Afin <strong>de</strong> protéger la partie électrique<br />

d’éléments extérieurs pouvant nuire<br />

à son fonctionnement, nous avons<br />

réalisé une cloison en plexiglas<br />

26<br />

<strong>Le</strong> <strong>retour</strong> <strong>du</strong> <strong>pop</strong>-<strong>pop</strong><br />

… en bleu, orange et blanc.<br />

Voilà le bateau prêt à<br />

naviguer, baptisé PoP en<br />

référence au moteur<br />

Pop-Pop, mais aussi pour<br />

Projet <strong>de</strong>s<br />

<strong>Olympia<strong>de</strong>s</strong> <strong>de</strong><br />

<strong>Physique</strong><br />

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IV/ Optimisation<br />

<strong>Le</strong> <strong>retour</strong> <strong>du</strong> <strong>pop</strong>-<strong>pop</strong><br />

Afin <strong>de</strong> calculer le ren<strong>de</strong>ment <strong>du</strong> moteur <strong>pop</strong>-<strong>pop</strong>, nous avons cherché à déterminer le rapport<br />

entre la puissance utile et celle fournie. Pour cela il faut calculer la vitesse <strong>du</strong> bateau et la force <strong>de</strong><br />

poussée <strong>du</strong> moteur qui permettent d’accé<strong>de</strong>r à la puissance utile ainsi que la puissance <strong>de</strong> chauffe <strong>du</strong><br />

brûleur qui constitue la puissance fournie.<br />

1. Mesure et calcul <strong>du</strong> pouvoir calorifique <strong>de</strong> l’éthanol<br />

a- Valeur théorique<br />

Nous avons commencé par déterminer la valeur théorique <strong>de</strong> l’énergie <strong>de</strong> la réaction <strong>de</strong><br />

combustion <strong>du</strong> bioéthanol. Cette valeur est valable pour une même température <strong>du</strong> système à l’état<br />

initial et à l’état final.<br />

La réaction mise en jeu lors <strong>de</strong> la combustion <strong>du</strong> bioéthanol contenu dans notre brûleur est :<br />

C2H6O(l) + 3O2(g) → 2CO2(g) + 3H2O(l)<br />

<strong>Le</strong>s formules développées <strong>de</strong>s molécules mises en jeu lors <strong>de</strong> la réaction sont :<br />

Données :<br />

Liaisons<br />

Valeurs <strong>de</strong>s énergies <strong>de</strong> liaison à<br />

25°C en kJ/mol<br />

C=O 795<br />

O-H 460<br />

C-C 348<br />

C-H 410<br />

C-O 356<br />

O=O 494<br />

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27<br />

2009<br />

2010


2009<br />

2010<br />

28<br />

<strong>Le</strong> <strong>retour</strong> <strong>du</strong> <strong>pop</strong>-<strong>pop</strong><br />

Ainsi, l’énergie <strong>de</strong> réaction correspond à la différence entre l’énergie dégagée lors <strong>de</strong> la création<br />

<strong>de</strong>s liaisons <strong>de</strong>s pro<strong>du</strong>its, et celle qui est apportée pour rompre les liaisons <strong>de</strong>s réactifs :<br />

Qr = 4.DC=O + 6.DO-H – [ DC-C + 5.DC-H + DC-O + DO-H + 3.DO=O ]<br />

Qr = 4×795 + 6×460 – [ 348 + 5×410 + 356 + 460 +3×494 ]<br />

Qr = 1,24.10 3 kJ/mol<br />

L’énergie <strong>de</strong> réaction massique est ainsi:<br />

Qr m = =<br />

Qr m = 2,70.10 4 kJ/kg<br />

b- Valeur expérimentale<br />

Nous avons ensuite mesuré expérimentalement le pouvoir calorifique <strong>de</strong> l’éthanol grâce à<br />

l’expérience suivante :<br />

boîte permettant<br />

d’isoler le dispositif<br />

Dispositif expérimental :<br />

agitateur<br />

chronomètre<br />

boîte <strong>de</strong> conserve<br />

brûleur<br />

bioéthanol<br />

son<strong>de</strong> <strong>de</strong><br />

température<br />

balance<br />

Tout d’abord, nous avons mesuré la masse <strong>du</strong> brûleur et <strong>de</strong> la boîte <strong>de</strong> conserve en fer avec et<br />

sans eau. Ensuite nous avons fait chauffer la boîte remplie d’eau grâce au brûleur tout en relevant la<br />

température toutes les minutes jusqu’à atteindre 45 °C (température à partir <strong>de</strong> laquelle les pertes <strong>de</strong><br />

chaleur sont trop importantes).<br />

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Masse <strong>du</strong> brûleur initiale : mi = 65,04g<br />

Masse <strong>du</strong> brûleur finale : mf = 61,18g<br />

Masse <strong>de</strong> la boîte en fer : mfer = 79,04g<br />

Masse <strong>de</strong> la boîte en fer + eau : m = 680 g<br />

Masse <strong>de</strong> l’eau : meau = m-mfer = 601 g<br />

Nous avons obtenu les résultats suivants :<br />

Température (°C)<br />

45<br />

40<br />

35<br />

30<br />

25<br />

20<br />

15<br />

10<br />

5<br />

0<br />

<strong>Le</strong> <strong>retour</strong> <strong>du</strong> <strong>pop</strong>-<strong>pop</strong><br />

Température θ (°C) Temps (min)<br />

Θ0 11,3 0<br />

Θ1 15,7 1<br />

Θ2 20,2 2<br />

Θ3 23,6 3<br />

Θ4 27,2 4<br />

Θ5 30,8 5<br />

Θ6 34,7 6<br />

Θ7 38,3 7<br />

Θ8 41,6 8<br />

Température <strong>de</strong> l'eau en fonction <strong>du</strong> temps<br />

©Thibaut Besacier, Morgan Fouillat, Vincent Joyet – <strong>pop</strong><strong>pop</strong>tarare@free.fr<br />

y = 3,753x + 12,03<br />

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9<br />

Temps (min)<br />

29<br />

2009<br />

2010


2009<br />

2010<br />

30<br />

<strong>Le</strong> <strong>retour</strong> <strong>du</strong> <strong>pop</strong>-<strong>pop</strong><br />

Ces mesures nous ont permis <strong>de</strong> calculer la chaleur apportée totale, afin d’en dé<strong>du</strong>ire la valeur<br />

expérimentale <strong>du</strong> pouvoir calorifique <strong>du</strong> brûleur.<br />

Données :<br />

- Capacité calorifique <strong>de</strong> l’eau à 300 K : Ceau = 4186 J.kg -1 .K -1<br />

- Capacité calorifique <strong>du</strong> fer à 300 K : Cfer = 444 J.kg -1 .K -1<br />

Qapportée(eau) = meau.Ceau.(θ8 – 0)<br />

Qapportée(eau) = 601.10 -3 × 4186 × (41,6 – 11,3)<br />

Qapportée(eau) = 7,62.10 4 J<br />

Qapportée(fer) = mfer.Cfer.( 8 – 0)<br />

Qapportée(fer) = 79,04.10 -3 × 444 × (41,6 – 11,3)<br />

Qapportée(fer) = 1,06.10 3 J<br />

On en dé<strong>du</strong>it :<br />

Qapportée totale = Qapportée(eau) + Qapportée(fer)<br />

Qapportée totale = 7,62.10 4 + 1,06.10 3<br />

Qapportée totale = 773.10 2 J<br />

Il vient donc que le pouvoir calorifique expérimental PCexp est :<br />

PCexp = =<br />

PCexp = 2,00.10 4 kJ/kg<br />

c- Analyse <strong>de</strong>s résultats<br />

–<br />

Donnée :<br />

- pouvoir calorifique <strong>de</strong> l’éthanol (trouvé sur Internet) : 2,97.10 4 kJ/kg<br />

L’énergie <strong>de</strong> réaction massique calculée est voisine <strong>du</strong> pouvoir calorifique <strong>de</strong> l’éthanol trouvé<br />

dans la littérature. La faible différence peut s’expliquer par les arrondis et la précision <strong>de</strong>s valeurs.<br />

De plus, le pouvoir calorifique expérimental est inférieur à celui trouvé sur internet. Cela est dû<br />

aux imprécisions <strong>de</strong> mesure <strong>de</strong> température et, malgré l’isolation <strong>de</strong> la boîte <strong>de</strong> conserve et <strong>de</strong> la<br />

flamme, aux quelques pertes <strong>de</strong> chaleur (le système n’est pas parfaitement isolé thermiquement).<br />

Remarque :<br />

La puissance <strong>de</strong> chauffe peut se dé<strong>du</strong>ire simplement <strong>de</strong> la chaleur apportée totale :<br />

Papportée totale =<br />

Papportée totale = 161 W.<br />

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ateau<br />

bassin<br />

pied <strong>de</strong> la<br />

caméra<br />

<strong>Le</strong> <strong>retour</strong> <strong>du</strong> <strong>pop</strong>-<strong>pop</strong><br />

2. Mesure <strong>de</strong> la vitesse <strong>du</strong> bateau<br />

Afin <strong>de</strong> mesurer la vitesse <strong>du</strong> bateau, nous avons réalisé l’expérience ci-<strong>de</strong>ssous pour filmer le<br />

déplacement <strong>du</strong> bateau et exploiter informatiquement la vidéo.<br />

Dispositif expérimental :<br />

Acquisition et traitement <strong>de</strong>s données :<br />

Nous avons ensuite utilisé le logiciel Aviméca® pour exploiter la vidéo.<br />

©Thibaut Besacier, Morgan Fouillat, Vincent Joyet – <strong>pop</strong><strong>pop</strong>tarare@free.fr<br />

31<br />

2009<br />

2010<br />

voile blanc<br />

mètre


2009<br />

2010<br />

32<br />

<strong>Le</strong> <strong>retour</strong> <strong>du</strong> <strong>pop</strong>-<strong>pop</strong><br />

Ce logiciel permet <strong>de</strong> pointer, image après image, un même point sur le bateau, nous donnant<br />

ainsi l’évolution <strong>de</strong> ses coordonnées en fonction <strong>du</strong> temps. Nous pouvons ainsi calculer la vitesse<br />

instantanée pour chaque point avec la formule :<br />

v(n) = =<br />

, avec v en m.s -1 , d en m et t en s.<br />

Vitesse (m/s)<br />

Nous obtenons ainsi la courbe suivante :<br />

0,25<br />

0,20<br />

0,15<br />

0,10<br />

0,05<br />

0,00<br />

Vitesse en fonction <strong>du</strong> temps<br />

y = -0,001x + 0,197<br />

0,00 1,00 2,00 3,00 4,00 5,00 6,00 7,00 8,00<br />

Temps (s)<br />

On peut alors en dé<strong>du</strong>ire la vitesse moyenne : vmoy = 0,19 m.s -1 = 0,68 km.h -1 , une vitesse pouvant<br />

être considérée comme constante au cours <strong>du</strong> temps, comme le montre le coefficient directeur <strong>de</strong><br />

0,001 <strong>de</strong> la droite <strong>de</strong> tendance.<br />

De plus, sachant qu’un nœud est égal à 1,852 km.h -1 , la vitesse moyenne <strong>du</strong> bateau est égale à<br />

nœud, alors qu’un bateau "normal" navigue à une vitesse d’environ 10/15 nœuds.<br />

©Thibaut Besacier, Morgan Fouillat, Vincent Joyet – <strong>pop</strong><strong>pop</strong>tarare@free.fr


<strong>Le</strong> <strong>retour</strong> <strong>du</strong> <strong>pop</strong>-<strong>pop</strong><br />

3. Mesure <strong>de</strong> la force <strong>de</strong> poussée <strong>du</strong> bateau<br />

Dans le but <strong>de</strong> mesurer la force <strong>de</strong> poussée <strong>du</strong> bateau, nous avons réalisé l’expérience suivante :<br />

Dispositif expérimental :<br />

Résultat :<br />

©Thibaut Besacier, Morgan Fouillat, Vincent Joyet – <strong>pop</strong><strong>pop</strong>tarare@free.fr<br />

33<br />

2009<br />

2010


2009<br />

2010<br />

Schématisation <strong>de</strong> l’expérience :<br />

Isolement <strong>de</strong>s forces :<br />

34<br />

L<br />

<strong>Le</strong> <strong>retour</strong> <strong>du</strong> <strong>pop</strong>-<strong>pop</strong><br />

T<br />

θ<br />

T<br />

F<br />

P<br />

l F<br />

P<br />

©Thibaut Besacier, Morgan Fouillat, Vincent Joyet – <strong>pop</strong><strong>pop</strong>tarare@free.fr<br />

j<br />

O<br />

i


On projette les forces sur les axes <strong>du</strong> repère :<br />

<strong>Le</strong> <strong>retour</strong> <strong>du</strong> <strong>pop</strong>-<strong>pop</strong><br />

Etant donné que le système est à l’équilibre, la somme <strong>de</strong>s forces extérieures est nulle. On a donc<br />

Selon l’axe :<br />

Selon l’axe :<br />

(Car )<br />

©Thibaut Besacier, Morgan Fouillat, Vincent Joyet – <strong>pop</strong><strong>pop</strong>tarare@free.fr<br />

(1)<br />

(2)<br />

(d’après (1))<br />

avec m la masse tirée par le bateau et g la constante universelle <strong>de</strong><br />

gravitation<br />

Ici : l = 3,0 cm = 3,0.10 -2 m<br />

L = 58 cm = 5,8.10 -1 m<br />

m = 50 g = 5,0.10 -2 kg<br />

Et on prend : g = 9,81 m.s -2<br />

Donc F = . 5,0.10 -2 . 9,81 = 25 mN<br />

La force <strong>de</strong> poussée <strong>du</strong> moteur est donc <strong>de</strong> 25 mN.<br />

35<br />

2009<br />

2010


2009<br />

2010<br />

36<br />

<strong>Le</strong> <strong>retour</strong> <strong>du</strong> <strong>pop</strong>-<strong>pop</strong><br />

4. Ren<strong>de</strong>ment <strong>du</strong> moteur<br />

Ces trois <strong>de</strong>rnières valeurs permettent <strong>de</strong> calculer le ren<strong>de</strong>ment global <strong>du</strong> moteur <strong>pop</strong>-<strong>pop</strong>. On<br />

peut, en effet, calculer la puissance mécanique délivrée par le moteur, en calculant la puissance<br />

correspondant au travail mécanique <strong>de</strong> la force F :<br />

étant le vecteur vitesse moyenne entre A et B.<br />

Ici la vitesse <strong>du</strong> bateau est quasiment constante (c.f. ci-<strong>de</strong>ssus). De plus, le déplacement <strong>du</strong> bateau<br />

est rectiligne, et donc , a la même direction et le même sens que .<br />

On en dé<strong>du</strong>it que la puissance mécanique délivrée par le moteur a pour expression :<br />

Ainsi, le ren<strong>de</strong>ment global <strong>du</strong> moteur <strong>pop</strong>-<strong>pop</strong> est égal au rapport entre la puissance mécanique<br />

délivrée par le moteur et la puissance <strong>de</strong> chauffe <strong>du</strong> brûleur (notée Papportée totale).<br />

D’où<br />

η =<br />

η =<br />

Et donc η =<br />

η = 3,0.10 -3 %<br />

<strong>Le</strong> ren<strong>de</strong>ment est lamentable ! Ceci est dû aux importantes pertes <strong>de</strong> chaleur, et à la très faible<br />

force <strong>de</strong> poussée <strong>du</strong> moteur (<strong>de</strong> l’ordre <strong>du</strong> millinewton) ce qui provoque une très faible vitesse.<br />

A comparer aux 35% d’une propulsion classique, aux 50% pour le moteur à essence et aux 70% pour<br />

l’hélice, cela reste très faible et justifie qu’il n’y ait jamais eu <strong>de</strong> débouchés in<strong>du</strong>striels <strong>du</strong> moteur<br />

<strong>pop</strong>-<strong>pop</strong>.<br />

En effet, afin <strong>de</strong> propulser un bateau à taille réelle, il faudrait que le moteur délivre une force <strong>de</strong><br />

poussée très importante. Or, la force maximale d’un tel moteur connue est <strong>de</strong> l’ordre <strong>de</strong> 200mN, ce<br />

qui est négligeable (c’est environ 1000 fois moins que ce que peut développer un rameur). De plus, il<br />

faudrait une quantité énorme <strong>de</strong> combustible à cause <strong>du</strong> ren<strong>de</strong>ment très faible dû en partie aux<br />

pertes <strong>de</strong> chaleurs. De surcroît, pour obtenir un cycle <strong>de</strong> dilatation-compression, l’eau doit être <strong>de</strong><br />

bonne qualité, or la plupart <strong>de</strong>s eaux sont polluées et l’eau salée entraînerait la formation d’un dépôt<br />

<strong>de</strong> sel à l’intérieur <strong>du</strong> moteur et empêcherait son bon fonctionnement.<br />

C’est pourquoi le moteur <strong>pop</strong>-<strong>pop</strong> est <strong>de</strong>stiné à rester uniquement à l’état <strong>de</strong> simple jouet.<br />

©Thibaut Besacier, Morgan Fouillat, Vincent Joyet – <strong>pop</strong><strong>pop</strong>tarare@free.fr


<strong>Le</strong> <strong>retour</strong> <strong>du</strong> <strong>pop</strong>-<strong>pop</strong><br />

5. Fréquence <strong>du</strong> moteur<br />

a- Mesure <strong>de</strong> la fréquence<br />

L’expérience suivante permet <strong>de</strong> mesurer la fréquence <strong>du</strong> moteur, en extrayant le son d’une<br />

vidéo <strong>du</strong> dispositif suivant, et en traitant le son ainsi obtenu grâce au logiciel Audacity®.<br />

Dispositif expérimental :<br />

Allure temporelle <strong>du</strong> son obtenu :<br />

Résultat :<br />

On compte 59 coups en 10 secon<strong>de</strong>s, soit une fréquence <strong>de</strong> 5,9 Hz.<br />

©Thibaut Besacier, Morgan Fouillat, Vincent Joyet – <strong>pop</strong><strong>pop</strong>tarare@free.fr<br />

37<br />

2009<br />

2010


2009<br />

2010<br />

38<br />

<strong>Le</strong> <strong>retour</strong> <strong>du</strong> <strong>pop</strong>-<strong>pop</strong><br />

b- Paramètres influant sur la fréquence<br />

Nous nous sommes ensuite interrogés sur les paramètres qui pouvaient influer sur la fréquence.<br />

Pour cela nous avons réalisé diverses expériences :<br />

tout d’abord, nous avons fait varier la longueur <strong>de</strong> l’évaporateur et donc le volume d’eau, tout<br />

en conservant le même diamètre et la même longueur pour le petit tube.<br />

On observe que plus l’évaporateur est grand, plus la fréquence diminue.<br />

Fréquence (Hz)<br />

10,00<br />

9,00<br />

8,00<br />

7,00<br />

6,00<br />

5,00<br />

4,00<br />

3,00<br />

2,00<br />

1,00<br />

0,00<br />

ensuite, nous avons fait varier le diamètre <strong>du</strong> petit tube, tout en conservant le même<br />

évaporateur et la même longueur pour le petit tube.<br />

Fréquence (Hz)<br />

Fréquence <strong>du</strong> moteur en fonction <strong>de</strong> la longueur<br />

<strong>de</strong> l'évaporateur<br />

On observe que plus le diamètre <strong>du</strong> petit tube est grand, plus la fréquence diminue.<br />

y = 32,70x -0,37<br />

0 20 40 60 80 100 120<br />

Longueur <strong>de</strong> l'évaporateur (mm)<br />

Fréquence <strong>du</strong> moteur en fonction <strong>de</strong> la largeur <strong>du</strong><br />

petit tube<br />

9,00<br />

8,00<br />

7,00<br />

6,00<br />

5,00<br />

4,00<br />

3,00<br />

2,00<br />

1,00<br />

0,00<br />

y = -0,387x + 9,266<br />

0 2 4 6 8 10<br />

Diamètre <strong>du</strong> petit tube (mm)<br />

©Thibaut Besacier, Morgan Fouillat, Vincent Joyet – <strong>pop</strong><strong>pop</strong>tarare@free.fr


<strong>Le</strong> <strong>retour</strong> <strong>du</strong> <strong>pop</strong>-<strong>pop</strong><br />

enfin, nous avons fait varier la <strong>de</strong>nsité <strong>du</strong> flui<strong>de</strong> en ajoutant plus ou moins <strong>de</strong> sel.<br />

On observe que plus la <strong>de</strong>nsité <strong>du</strong> flui<strong>de</strong> est importante, plus la fréquence est élevée.<br />

Bilan :<br />

Nous dé<strong>du</strong>isons <strong>de</strong> ces trois expériences que la fréquence semble dépendre notamment <strong>de</strong> la masse<br />

d’eau, <strong>du</strong> volume <strong>de</strong> gaz formé, ainsi que <strong>de</strong> la <strong>de</strong>nsité <strong>du</strong> flui<strong>de</strong>.<br />

c- Confrontation <strong>de</strong>s résultats avec la simulation et le modèle<br />

simplifié<br />

- Première constatation : en accord avec le modèle simplifié. Nous avons montré expérimentalement<br />

que la fréquence d’oscillation diminue lorsque le volume <strong>de</strong> l’évaporateur augmente. Plus<br />

particulièrement les résultats expérimentaux semblent donner une relation <strong>du</strong> type :<br />

Tandis que le modèle simplifié<br />

©Thibaut Besacier, Morgan Fouillat, Vincent Joyet – <strong>pop</strong><strong>pop</strong>tarare@free.fr<br />

Fréquence (Hz)<br />

8,00<br />

7,80<br />

7,60<br />

7,40<br />

7,20<br />

7,00<br />

6,80<br />

6,60<br />

6,40<br />

Fréquence <strong>du</strong> moteur en fonction <strong>de</strong> la <strong>de</strong>nsité<br />

<strong>du</strong> flui<strong>de</strong><br />

y = 10,68x - 4,284<br />

- Deuxième constatation : en désaccord avec le modèle simplifié et la simulation numérique. Nous<br />

avons montré expérimentalement que la fréquence d’oscillation diminue lorsque la section <strong>du</strong> petit<br />

tube augmente. Nous n’avons, à l’heure où nous écrivons ce rapport, pas trouvé d’explications claires<br />

pour expliquer ce désaccord. Une <strong>de</strong>s pistes pour l’expliquer serait l’influence <strong>de</strong> la tension<br />

superficielle.<br />

- Troisième constatation : en désaccord avec le modèle simplifié et la simulation numérique. Nous<br />

avons montré expérimentalement que la fréquence d’oscillation diminue lorsque la salinité <strong>de</strong> l’eau<br />

diminue, c'est-à-dire lorsque la masse d’eau déplacée diminue (tout en conservant la section <strong>du</strong> petit<br />

tube constante). Nous n’avons, à l’heure où nous écrivons ce rapport, pas trouvé d’explications<br />

claires pour expliquer ce désaccord. Une <strong>de</strong>s pistes pour l’expliquer serait l’influence <strong>de</strong> la tension<br />

superficielle, qui dépend <strong>de</strong> la salinité <strong>de</strong> l’eau.<br />

39<br />

2009<br />

2010<br />

1 1,05<br />

Densité <strong>du</strong> flui<strong>de</strong><br />

1,1 1,15


2009<br />

2010<br />

V/ Conclusion<br />

40<br />

<strong>Le</strong> <strong>retour</strong> <strong>du</strong> <strong>pop</strong>-<strong>pop</strong><br />

Pour conclure, nous pensons avoir atteint nos objectifs initiaux, à savoir comprendre le<br />

phénomène, l’étudier et en dégager l’intérêt.<br />

Tout d’abord, nos recherches sur le phénomène <strong>pop</strong>-<strong>pop</strong> ont constitué une première approche<br />

nécessaire afin d’appréhen<strong>de</strong>r le fonctionnement global <strong>du</strong> système. Cela nous a également servi<br />

pour pouvoir simuler informatiquement le phénomène. Cette simulation nous a beaucoup aidés car<br />

elle nous a permis <strong>de</strong> comprendre tous les paramètres influant sur le phénomène, mais aussi <strong>de</strong><br />

mieux nous l’approprier grâce à la précision et à la clarté <strong>de</strong> ses résultats, qui ont non seulement<br />

confirmé nos recherches précé<strong>de</strong>mment effectuées, mais aussi apporté <strong>de</strong> nouvelles informations<br />

sur le phénomène.<br />

Ensuite, la conception <strong>de</strong> la maquette, malgré les nombreuses difficultés rencontrées (adaptation<br />

<strong>de</strong> la partie électrique ainsi que <strong>de</strong>s éléments permettant la direction <strong>du</strong> gouvernail, …), a été très<br />

enrichissante. En effet, elle nous a permis <strong>de</strong> mettre en pratique toute la partie théorique, et ainsi<br />

d’éprouver, à force <strong>de</strong> persévérance, une certaine fierté en voyant le bateau naviguer dans notre<br />

bassin !<br />

En outre, toutes les expériences effectuées ont été l’occasion <strong>de</strong> mettre en pratique les<br />

connaissances acquises notamment en physique, en chimie, mais également en informatique. Elles<br />

ont surtout été nécessaires afin d’aboutir à la conclusion fondamentale que ce principe ne peut<br />

malheureusement pas être appliqué sur <strong>de</strong> vrais bateaux, mais simplement sur <strong>de</strong>s bateaux jouets.<br />

En effet, à cause <strong>de</strong> son faible ren<strong>de</strong>ment, entraîné par les pertes <strong>de</strong> chaleur conséquentes, et <strong>de</strong> sa<br />

vitesse, qui est seulement <strong>de</strong> 0,37 nœud alors qu’un bateau "normal" navigue à 10/15 nœuds <strong>de</strong><br />

moyenne, il est totalement inenvisageable d’adapter ce système à <strong>de</strong>s bateaux à taille humaine.<br />

De plus, l’étu<strong>de</strong> <strong>de</strong> ce phénomène nous a fourni l’opportunité <strong>de</strong> nous familiariser avec <strong>de</strong>s<br />

notions qui n’ont pas encore été étudiées en cours comme la métho<strong>de</strong> d’Euler, la thermodynamique,<br />

et la thermochimie.<br />

Enfin, ce projet a constitué une formidable opportunité pour apprendre à travailler en groupe.<br />

Durant un an, et au prix d’un fort investissement personnel <strong>de</strong> chacun, nous avons en effet constaté<br />

que le travail en groupe permet la synergie <strong>de</strong>s compétences, et que cela peut s’avérer fort agréable<br />

<strong>de</strong> travailler avec <strong>de</strong>s camara<strong>de</strong>s, surtout lorsqu’ils font preuve d’une gran<strong>de</strong> motivation. Il nous a<br />

également fait apparaître les difficultés d’une démarche expérimentale ainsi que l’exigence <strong>de</strong> la<br />

rigueur et <strong>de</strong> la précision. Nous avons également pu rencontrer dans l’élaboration <strong>du</strong> projet <strong>de</strong>s<br />

personnes à la fois passionnées et passionnantes que nous remercions dès à présent.<br />

©Thibaut Besacier, Morgan Fouillat, Vincent Joyet – <strong>pop</strong><strong>pop</strong>tarare@free.fr


VI/ Glossaire<br />

<strong>Le</strong> <strong>retour</strong> <strong>du</strong> <strong>pop</strong>-<strong>pop</strong><br />

Sources:<br />

- Manuel <strong>de</strong> physique/chimie <strong>de</strong> Première et Terminale S, éditions Hachette É<strong>du</strong>cation,<br />

collection Duran<strong>de</strong>au<br />

- Encyclopédie libre en ligne Wikipédia (http://fr.wikipedia.org)<br />

- http://www.eclecticspace.net<br />

- http://www.bateau-<strong>pop</strong>op.com<br />

- http://www.jp-perroud.com/<strong>pop</strong><strong>pop</strong>.htm<br />

- http://www.<strong>pop</strong>-<strong>pop</strong>.fr/<br />

- http://www.chez.com/llegoff/<strong>pop</strong><strong>pop</strong>/<br />

- http://famg.club.fr/In<strong>de</strong>x.html<br />

- http://www.sredmond.com/smf/in<strong>de</strong>x.php<br />

VII/ Remerciements<br />

Nous adressons <strong>de</strong> sincères remerciements à nos professeurs :<br />

M. Mustapha ERRAMI, notre professeur coordinateur, pour sa disponibilité et son enthousiasme à<br />

encadrer <strong>de</strong>s projets,<br />

M. Fabien BRUNO, professeur agrégé <strong>de</strong> physique-chimie, pour son ai<strong>de</strong> précieuse, et le temps passé<br />

avec nous,<br />

M. François PINAULT et M. Christian VALLON, professeurs <strong>de</strong>s sciences <strong>de</strong> l’ingénieur, pour leurs<br />

conseils avisés.<br />

Nous réservons également un lot <strong>de</strong> remerciements aux passionnés <strong>du</strong> « <strong>pop</strong>-<strong>pop</strong> », qui n’ont<br />

jamais été avares <strong>de</strong> suggestions, <strong>de</strong> conseils et d’encouragements :<br />

M. René ROBEIN, ancien professeur à la retraite et passionné <strong>de</strong> modélisme, pour nous avoir fait<br />

découvrir le phénomène, pour ses multiples réalisations, ses précieux conseils et pour son<br />

encadrement continu <strong>du</strong> groupe,<br />

M. Yacine BAKACHE, pour ses connaissances en modélisation 3D,<br />

M. Jean-Yves RENAUD, créateur <strong>du</strong> site eclecticspace.com, pour ses précieuses explications,<br />

Tous les membres <strong>du</strong> forum privé http://www.sredmond.com/smf/in<strong>de</strong>x.php (voir Annexe n°3).<br />

Enfin, nous remercions chaleureusement tous nos partenaires, le Rectorat <strong>de</strong> l’académie <strong>de</strong> Lyon,<br />

le Conseil Régional <strong>de</strong> Rhône-Alpes, M. Roger DUFFAIT <strong>de</strong> l’Université Clau<strong>de</strong> Bernard <strong>de</strong> Lyon, M.<br />

Ludovic JAUBERT <strong>de</strong> l’ENS <strong>de</strong> Lyon, et M. Florent JOYET <strong>de</strong> l’Ecole Centrale <strong>de</strong> Lyon.<br />

©Thibaut Besacier, Morgan Fouillat, Vincent Joyet – <strong>pop</strong><strong>pop</strong>tarare@free.fr<br />

41<br />

2009<br />

2010


2009<br />

2010<br />

42<br />

<strong>Le</strong> <strong>retour</strong> <strong>du</strong> <strong>pop</strong>-<strong>pop</strong><br />

Annexe n°1 : le thermocouple<br />

<strong>Le</strong>s thermocouples sont utilisés essentiellement en physique pour mesurer <strong>de</strong>s températures. Ils<br />

sont bon marché et permettent la mesure dans une gran<strong>de</strong> gamme <strong>de</strong> températures. <strong>Le</strong>ur principal<br />

défaut est leur précision : ils sont précis à 0,1 °C près.<br />

Principes <strong>de</strong> la mesure :<br />

Schéma <strong>de</strong> principe d'un thermocouple<br />

Un thermocouple est composé <strong>de</strong> <strong>de</strong>ux métaux a et b, <strong>de</strong> natures différentes, qui sont reliés par<br />

<strong>de</strong>ux jonctions possédant respectivement une température T1 et T2. Par effet Seebeck, effet<br />

thermoélectrique découvert en 1821 par le physicien allemand Thomas Johann, le thermocouple<br />

génère une différence <strong>de</strong> potentiel qui dépend <strong>de</strong> la différence <strong>de</strong> température entre les jonctions,<br />

T1-T2. <strong>Le</strong>s thermocouples ne mesurent donc pas une température, mais une différence <strong>de</strong><br />

température. Pour mesurer une température inconnue, l'une <strong>de</strong>s <strong>de</strong>ux jonctions doit être maintenue<br />

à une température connue, par exemple celle <strong>de</strong> la glace fondante (0 °C). Il est également possible<br />

que cette température <strong>de</strong> référence soit mesurée par un capteur (température ambiante, par<br />

exemple). La mesure <strong>de</strong> température est donc une mesure indirecte, puisque les thermocouples<br />

mesurent en fait une différence <strong>de</strong> potentiel électrique. Il est donc nécessaire <strong>de</strong> connaître la<br />

réponse <strong>du</strong> thermocouple utilisé en fonction <strong>de</strong> la température pour pouvoir relier la différence <strong>de</strong><br />

potentiel électrique à la différence <strong>de</strong> température. De plus, la mesure passant par la détermination<br />

d'une différence <strong>de</strong> potentiel, sa précision dépend fortement <strong>du</strong> voltmètre utilisé.<br />

Il existe plusieurs types <strong>de</strong> thermocouples différents. Tous sont utilisés pour une gamme précise<br />

<strong>de</strong> température, <strong>de</strong> quelques <strong>de</strong>grés à quelques milliers <strong>de</strong> <strong>de</strong>grés. Notons néanmoins que les<br />

signaux électriques <strong>de</strong> ces son<strong>de</strong>s sont non linéaires. En revanche les thermocouples présentent<br />

l'avantage d’être fiables, <strong>de</strong> faible encombrement et faciles à mettre en œuvre. Celui que nous avons<br />

utilisé (voir photo page suivante) est <strong>de</strong> type K ; voici ses caractéristiques :<br />

Composition :<br />

- Chromel (alliage nickel + chrome)<br />

- Alumel (alliage nickel + aluminium (5%) + silicium)<br />

Thermocouple standard. Il permet une mesure dans une gamme <strong>de</strong> température large :<br />

-250 °C à 1 372 °C. Il est également bon marché, mais ne permet pas une mesure à 0°C.<br />

(d’après Wikipédia).<br />

©Thibaut Besacier, Morgan Fouillat, Vincent Joyet – <strong>pop</strong><strong>pop</strong>tarare@free.fr


<strong>Le</strong> <strong>retour</strong> <strong>du</strong> <strong>pop</strong>-<strong>pop</strong><br />

Afin <strong>de</strong> déterminer la température le long <strong>du</strong> tube à essai pour la simulation informatique, ainsi<br />

que celle <strong>du</strong> gaz formé à l‘intérieur <strong>de</strong> ce <strong>de</strong>rnier, nous avons réalisé l’expérience suivante :<br />

Dispositif expérimental :<br />

bioéthanol<br />

brûleur<br />

règle<br />

tube à essai<br />

marqueur<br />

Après avoir inscrit avec le marqueur une série <strong>de</strong> points sur le tube à essai espacés les uns <strong>de</strong>s<br />

autres <strong>de</strong> 1 cm, nous avons relevé la température à l’ai<strong>de</strong> <strong>du</strong> thermocouple.<br />

©Thibaut Besacier, Morgan Fouillat, Vincent Joyet – <strong>pop</strong><strong>pop</strong>tarare@free.fr<br />

43<br />

2009<br />

2010<br />

support tube à essai<br />

support <strong>du</strong> brûleur<br />

thermocouple<br />

voltmètre


2009<br />

2010<br />

Nous avons ainsi obtenu la courbe suivante :<br />

Donnée :<br />

44<br />

DeltaU (mV)<br />

3<br />

2,5<br />

2<br />

1,5<br />

1<br />

0,5<br />

0<br />

-0,5<br />

Température en °C<br />

600<br />

500<br />

400<br />

300<br />

200<br />

100<br />

0<br />

<strong>Le</strong> <strong>retour</strong> <strong>du</strong> <strong>pop</strong>-<strong>pop</strong><br />

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19<br />

Position <strong>du</strong> point en cm (à partir <strong>du</strong> bas <strong>du</strong> tube)<br />

Courbe d'étalonnage Thermocouple<br />

y = 0,040x - 0,872<br />

R² = 0,999<br />

0 20 40 60 80 100<br />

T (°C)<br />

©Thibaut Besacier, Morgan Fouillat, Vincent Joyet – <strong>pop</strong><strong>pop</strong>tarare@free.fr


Annexe n°2 : programme<br />

<strong>Le</strong> <strong>retour</strong> <strong>du</strong> <strong>pop</strong>-<strong>pop</strong><br />

©Thibaut Besacier, Morgan Fouillat, Vincent Joyet – <strong>pop</strong><strong>pop</strong>tarare@free.fr<br />

45<br />

2009<br />

2010


2009<br />

2010<br />

46<br />

<strong>Le</strong> <strong>retour</strong> <strong>du</strong> <strong>pop</strong>-<strong>pop</strong><br />

©Thibaut Besacier, Morgan Fouillat, Vincent Joyet – <strong>pop</strong><strong>pop</strong>tarare@free.fr


<strong>Le</strong> <strong>retour</strong> <strong>du</strong> <strong>pop</strong>-<strong>pop</strong><br />

©Thibaut Besacier, Morgan Fouillat, Vincent Joyet – <strong>pop</strong><strong>pop</strong>tarare@free.fr<br />

47<br />

2009<br />

2010


2009<br />

2010<br />

48<br />

<strong>Le</strong> <strong>retour</strong> <strong>du</strong> <strong>pop</strong>-<strong>pop</strong><br />

©Thibaut Besacier, Morgan Fouillat, Vincent Joyet – <strong>pop</strong><strong>pop</strong>tarare@free.fr


<strong>Le</strong> <strong>retour</strong> <strong>du</strong> <strong>pop</strong>-<strong>pop</strong><br />

©Thibaut Besacier, Morgan Fouillat, Vincent Joyet – <strong>pop</strong><strong>pop</strong>tarare@free.fr<br />

49<br />

2009<br />

2010


2009<br />

2010<br />

50<br />

<strong>Le</strong> <strong>retour</strong> <strong>du</strong> <strong>pop</strong>-<strong>pop</strong><br />

Annexe n°3 : le forum dont nous sommes membres<br />

Nous nous sommes inscrits sur le forum : http://www.sredmond.com/smf/in<strong>de</strong>x.php qui est géré<br />

par un américain. Ce forum regroupe une quinzaine <strong>de</strong> personnes originaires <strong>de</strong> différents pays (un<br />

canadien, un allemand, 3 néerlandais, un sud-africain, 3 français, 2 américains…), toutes expertes <strong>du</strong><br />

phénomène <strong>pop</strong>-<strong>pop</strong>. On retrouve par exemple Eljoh Sneep et Jorn Gol<strong>de</strong>nbeld, <strong>de</strong>ux néerlandais qui<br />

travaillent sur un bateau <strong>pop</strong>-<strong>pop</strong> solaire,et Jean-Yves Renaud ingénieur français à la retraite qui est<br />

le modérateur <strong>du</strong> site www.eclectispace.net et qui nous a permis d’entrer en contact avec le<br />

créateur <strong>du</strong> forum, Stephen Redmond, ingénieur américain.<br />

Extrait <strong>de</strong>s membres <strong>du</strong> forum<br />

©Thibaut Besacier, Morgan Fouillat, Vincent Joyet – <strong>pop</strong><strong>pop</strong>tarare@free.fr


<strong>Le</strong> <strong>retour</strong> <strong>du</strong> <strong>pop</strong>-<strong>pop</strong><br />

Page d'accueil <strong>du</strong> forum<br />

©Thibaut Besacier, Morgan Fouillat, Vincent Joyet – <strong>pop</strong><strong>pop</strong>tarare@free.fr<br />

51<br />

2009<br />

2010


2009<br />

2010<br />

52<br />

<strong>Le</strong> <strong>retour</strong> <strong>du</strong> <strong>pop</strong>-<strong>pop</strong><br />

Différents sujets concernant le <strong>pop</strong>-<strong>pop</strong><br />

Ce forum nous a offert la possibilité d’en apprendre davantage sur le phénomène et <strong>de</strong> trouver <strong>de</strong><br />

nouvelles expériences pour mettre en évi<strong>de</strong>nce certaines <strong>de</strong> ses particularités. De plus, il nous a<br />

permis <strong>de</strong> perfectionner notre anglais et d’apprendre <strong>du</strong> vocabulaire technique. <strong>Le</strong>s membres nous<br />

ont donc été d’une très gran<strong>de</strong> utilité grâce à leurs échanges instructifs et intéressants. Nous<br />

remercions donc tous les membres ainsi que le créateur <strong>du</strong> forum pour leurs conseils avisés.<br />

©Thibaut Besacier, Morgan Fouillat, Vincent Joyet – <strong>pop</strong><strong>pop</strong>tarare@free.fr

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