L'Expérience de
la Fontaine Oscillante

...Ordre et Chaos...

 

Voici une petite expérience étonnante, à la portée de tous et qui va vous permettre de mettre en place un système aussi précis qu'un métronome, uniquement avec un peu d'eau et de sel!... Il s'agit de l'expérience de la fontaine oscillante, ou fontaine d'eau salée... voici comment la mettre en oeuvre:

 

Prendre deux gobelets plastiques et deux crayons. Scotcher les crayons sur le coté du premier gobelet de manière à le maintenir sur le bord du second gobelet comme sur le schéma ci-contre (crayons en rouge).

Percer ensuite le fond du premier gobelet (celui du haut) avec une épingle; faire un trou d'environ 0.5mm de diamètre (pas trop gros!).

Remplir le second gobelet (celui du bas) avec de l'eau douce. Préparer de l'eau salée (dissoudre le plus de sel possible, en faisant attention de ne pas laisser de morceaux non dissous); on peut ajouter de l'encre à cette eau pour mieux la différencier de l'eau douce, mais ce n'est pas indispensable.

Placer les deux gobelet l'un au dessus de l'autre (en bouchant le trou avec un doigt pour ne pas que l'eau douce rentre) puis remplir le gobelet supérieur avec l'eau salée, à un niveau un peu supérieur à celui de l'eau douce.

Le système est alors prêt et se met en marche...

  ... Voici alors ce que l'on observe: du fait de sa densité, et parce que son niveau est supérieur à celui de l'eau douce, l'eau salée s'écoule tout d'abord assez rapidement au fond du gobelet d'eau douce, sous forme d'un écoulement turbulent (Image 1). On peut également remarquer que l'eau salée est bien visible par rapport à l'eau douce, ceci du à son indice de réfraction qui a été modifié par l'ajout du sel.
Puis quelques minute plus tard, l'écoulement est moins fort, plus régulier, plus "linéaire" (Image2)...
... et il a tendance à vouloir s'arréter (lorsque les niveaux de l'eau salée et de l'eau douce sont proches): le flux est plus court (Image 3).

 

  C'est alors l'amorce du phénomène d'oscillations: le flux devient plus faible, continu, laminaire, et des "champignons" d'eau salée s'en séparent de manière périodique!...
 
Plutot qu'une longue description, voici ci-contre une vidéo du phénomène filmé grâce à une webcam; le film est passé en boucle, mais on y voit trois oscillations successives.

On peut remarquer la formidable régularité du phénomène: la mesure sur le film a permis de trouver une période de 3.4 secondes, rigoureusement égale à chaque oscillation!

Il est très probable que cette période dépende de la taille du trou, de la densité relative des deux liquides, etc... De plus, la forme du "champignon" est étonnament constante: voici ci-dessous, mis côte à côte, les 3 "champignons" d'eau salée successifs du film, ils sont très similaires (surtout le 2 et le 3), même après plusieurs secondes de chute dans l'eau douce.

 

 

Cette expérience est un exemple étonnant d'apparition d'un phénomène ordonné (les oscillations) après un phénomène chaotique et continu (la phase d'écoulement turbulent).
Bien entendu, ce phénomène n'est pas infini, et les oscillation cessent finalement au bout d'un long moment: on arrive à une situation d'équilibre où aucun flux n'est visible entre les deux gobelets.

Ci-contre une vue du système que j'ai utilisé: n'ayant pas de gobelets sous la main, j'ai utilisé une bouteille coupée au quart supérieur, en renversant le haut de la bouteille dans le reste.
Le trou a été fait dans un morceau de poche plastique maintenu sur le goulot par un élastique. Veiller toutefois à ne pas coincer la partie supérieure de la bouteille dans la partie inférieure: il faut toujours que l'eau douce soit en contact avec l'air ambiant (pression atmosphérique égale pour les deux liquides)pour que le système fonctionne (prévoir une cale d'épaisseur ou une fente si nécessaire).

  Pour finir, une petite astuce pour mieux voir le filet d'eau salée: en effet, si vous vous placez sur un fond uni, vous risquez de ne rien voir!
 Mettez donc en fond quelque chose d'assez contrasté, en plaçant par exemple le gobelet à proximité d'une fenêtre et en s'arrangeant pour que le filet d'eau "chevauche" le bord de la fenètre (comme sur la video)... le contraste est alors bien meilleur (ceci s'explique par le fait que le filet d'eau salée, cylindrique, agit comme une loupe de courte focale et renverse l'image située derrière... le filet apparait donc "bicolore", avec un bord sombre et un bord lumineux).

Ref: "23 expériences d'amateur" - Jearl Walker - Bibliothèque POUR LA SCIENCE

 

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