Le retour du pop-pop - Olympiades de Physique France
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 />
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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 />
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<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 />
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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 />
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… 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.
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<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 />
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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.
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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 />
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<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 />
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<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 />
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ballon<br />
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<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 />
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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 />
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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 />
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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 />
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<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 />
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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 />
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, 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 />
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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 />
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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 />
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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 />
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<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 />
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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 />
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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 />
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(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 />
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<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 />
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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 />
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Annexe n°2 : programme<br />
<strong>Le</strong> <strong>retour</strong> <strong>du</strong> <strong>pop</strong>-<strong>pop</strong><br />
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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 />
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<strong>Le</strong> <strong>retour</strong> <strong>du</strong> <strong>pop</strong>-<strong>pop</strong><br />
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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 />
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<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 />
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<strong>Le</strong> <strong>retour</strong> <strong>du</strong> <strong>pop</strong>-<strong>pop</strong><br />
Page d'accueil <strong>du</strong> forum<br />
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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