Des gouttes qui ne tombent pas du ciel !
par Yves CORBOZ Collège - 95320 Saint-Leu-la-Forêt
RÉSUMÉ
Les écoulements turbulents autour des gouttelettes d’eau constituant un nuage sont responsables de forces qui permettent aux gouttes de rester en suspension. Cet équilibre sous l’action de deux forces peut être simulé expérimentalement en classe de cinquième ou en troisième à l’aide d’une balle de ping-pong et d’un sèche-cheveux.
Une question, qui ne manque pas d’être posée maintenant depuis la cinquième à propos de la condensation, puis en quatrième avec l’air et l’atmosphère, trouve dans le programme de troisième les notions permettant de construire les bases d’une réponse.
«Si les nuages sont faits de goutte(lettes) d’eau, pourquoi restent-ils en l’air ?». La question est identique dans le cas du brouillard.
La réponse est fondée sur l’existence de phénomènes de turbulence dans l’air : – soumise à son poids, en absence de turbulence, la goutte tomberait,
– en présence de turbulence, elle reste en suspension.
EXPÉRIENCE
Une balle de ping-pong simule une goutte d’eau. Un sèche-cheveux crée un cou- rant d’air.
Cas A (le courant d’air est vertical)
Cas B (le courant d’air n’est plus vertical)
MATÉRIEL
– Le sèche-cheveux est équipé d’un évent, coiffant la buse.
– L’évent est découpé dans une bouteille (pour l’eau) de 5 L en plastique transparent (de côté, environ 10 cm). Une bouteille de 1,5 L convient également, mais le raccord sur le sèche-cheveux demande un peu plus de travail.
Avec la bouteille de 5 L, scier les 1,3 premiers centimètres du goulot (scie à métaux). Réduire au «cutter» les rebords en plasti- que restants jusqu’à parfaite adaptation. Couper, toujours au «cut- ter», la bouteille au niveau de la première nervure marquant le début de la section «carrée» de la bouteille (soit une hauteur d’en-
viron 4 cm). Si le souffle manque de puissance, il faudra couper un peu plus court (envi- ron 2 cm). Un évent profond augmente les turbulences en gênant l’entraînement de l’air environnant dans un flux laminaire.
On observe que la balle monte, descend, tourne, mais conserve globalement la même position.
Lorsque l’axe du sèche-cheveux est incliné, le mouvement de rotation de la balle est très rapide, et la distance d’équilibre sèche- cheveux - balle augmente curieusement. La balle reste en suspen- sion sans rien sous elle, ce qui surprend toujours les élèves. Statis- tiquement cela est applicable à l’ensemble des gouttelettes d’un nuage stratiforme. Le parallèle avec les gouttelettes dans le nuage permet d’évoquer le rôle important de la turbulence dans les phé- nomènes météorologiques.
ÉTUDE DES FORCES
Dans une approche simplifiée, l’inventaire des forces exercées sur la balle ne prend en considération que les forces :
– r
Pde pesanteur, – r
Fliée aux mouvements de l’air.
On s’interroge sur leur nature (Contact ? A distance ? Localisée ? Répartie ?) et leurs caractéristiques (droites d’actions, sens...).
Les principales forces négligées sont les interactions entre les gouttelettes, le flux horizontal entraînant le nuage... et la poussée d’Archimède (le fluide déplacé, l’air, a une masse volumique de l’ordre de 1 kg/m3 négligeable par rapport à celle de l’eau 1000 kg/m3).
Cas A : vent vertical
Dans le cas A, la «force du vent» r
Fest vertical vers le haut, conformément à l’in- tuition. Son intensité est égale à celle du poids r
P.
On peut écrire la relation entre les intensités des forces :F=P.
On note au passage que la rotation de la balle paraît aléatoire tant pour la vitesse que pour le sens.
Cas B : vent oblique Observation
– la balle est en équilibre bien que l’axe du «vent» ne soit pas celui du poids, – la rotation de la balle est rapide et de sens bien déterminé,
– la distance d’équilibre est plus grande.
Interprétation
La première observation permet de déterminer que la force r
Fexercée par l’air en mouvement sur la balle dans ce cas B conserve une direction verticale, contrairement à l’intuition.
La relation entre les intensités des forces s’écrit encore simplement : F = P.
L’analogie avec les gouttelettes d’eau permet de comprendre que des courants d’air de directions variées (turbulences atmosphériques) puissent empêcher les gouttes de tomber, d’autant plus que leur poids est très faible.
Pour approfondir, on peut indiquer que la balle est légèrement décentrée par rap- port à l’axe de symétrie du sèche-cheveux, et par suite l’écoulement de l’air est plus rapide au-dessus de la balle qu’au-dessous, créant une dépression. La rotation est un autre indice de l’absence de symétrie de la situation.
L’explication de cet équilibre au niveau du collège ne peut aller plus loin.
INFORMATIONS COMPLÉMENTAIRES
Les dimensions des gouttelettes ou des cristaux de glace constitutifs de l’air nuageux sont très réduites : diamètre de 2 à 200 microns, donc de masse très faible. De faibles forces d’agitation existent presque toujours au sein du fluide atmosphérique et suffisent à maintenir les gouttelettes en équilibre (effet de sustentation). Il y aura précipitation (n’atteignant pas forcément le sol car des couches d’air aux caractéristiques différentes devront être traversées) lorsque l’accroissement des gouttelettes leur donnera un poids suffisant pour vaincre ces forces d’agitation.
Les phénomènes de turbulence influent aussi fortement sur la formation des nuages ou du brouillard, «un nuage touchant le sol» en quelque sorte. Sans turbulence, autre- ment dit avec un vent au sol nul, il y aura condensation sur le sol : rosée. Si la turbulence est trop forte, la condensation ne se produira pas ; le refroidissement, du fait du bras- sage de l’air plus important affectera une couche d’air trop importante, l’abaissement de température sera insuffisant en raison de la dispersion.
CONVECTION
Un travail comparable peut être fait sur stabilité, instabilité (y aura-t-il convection ou non ?).
Dans un très grand bocal, on verse de l’eau ordinaire (premier schéma) ou saturée en sel (deuxième schéma), puis on place un petit flacon d’eau salée colorée de concen- tration intermédiaire. Pour la troisième expérience, le bocal est à moitié rempli d’eau saturée, puis d’eau ordinaire. Un film alimentaire pour la conservation des aliments déposé sur la couche d’eau saturée permet de remplir le bocal rapidement sans risque de mélange. Tirer ensuite délicatement le film.
Cela constitue un exercice avec une interrogation plus riche mais impliquant plus d’abstraction (notion de masse volumique, poussée d’Archimède et surtout difficulté d’appréhender le contenu du flacon comme une entité soumise au poids, à la poussée d’Archimède : sur quoi construit-on les vecteurs ?) !
Cela peut être clôturé (dans l’optique météo) pour constituer une récapitulation par un ludion.
Suivant les variations de la pression, la «particule» d’air est soumise à des forces différentes.
Bibliographie pour le paragraphe «compléments d’informations»
La météorologie - tome I, pp. 73-75 - Formation CNED - Météo France La météo de A à Z - p. 74 - Météo France - Stock
Connaître la météorologie - p. 43 - Presses de l’Université du Québec
