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L'oiseau buveur : "qu'est-ce que c'est et comment ça marche ?"

Réalisé par deux filles qui sont loin d'avoir la fibre scientifique mais qui sont curieuses de comprendre le monde qui les entoure!

Préambule à notre démarche scientifique de questionnement sur l'oiseau buveur

L’oiseau buveur est un objet à bascule en forme d’oiseau, qui plonge périodiquement sa tête dans un verre d’eau et qui semble avoir un mouvement perpétuel. Grâce à diverses expériences, nous allons tenter d’en comprendre son fonctionnement et de vérifier si le mouvement est bien perpétuel.

Définitions du mouvement perpétuel selon :

  • Le Petit Larousse illustré 1978 : « Transformation physique d’un système qui produirait du travail sans aucune dépense d’énergie, et dont l’impossibilité résulte du principe de l’équivalence. »
  • Le Dictionnaire Oxford : « Une hypothétique machine qui, une fois mise en mouvement resterait en mouvement à jamais ou jusqu’à ce qu’elle soit arrêtée par quelque force extérieure ou l’usure complète de la machine. »
  • La 13ème édition de l’Encyclopedia Britannica : « Une machine qui, une fois en mouvement, continuera en faisant un travail utile sans puiser dans n’importe quelle source extérieure d’énergie. »

Observation et description de l'objet "L'oiseau buveur "qu'est-ce que c'est?"

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Eléments d'un oiseau buveur

Il s’agit d’un jouet physique dont le fonctionnement est semblable à une machine thermique. Il est composé d’un pied sur lequel est monté un tube en verre dont les extrémités représentent des sphères et qui est rempli d’un liquide (souvent du dichlorométhane). La sphère supérieure représente la tête de l’oiseau avec un bec, entourée de feutrine (ou d’une autre matière absorbante), la partie inférieure constitue le réservoir contenant le liquide. Ce dispositif contient également une tige métallique insérée entre les deux pieds qui sert d’axe de rotation et qui, permet les oscillations de l’oiseau.

Observation et description de l'expérience "Comment ça marche?"

Nous pouvons observer plusieurs étapes dans le fonctionnement de l’oiseau. Initialement, l'oiseau est à la verticale. Pour amorcer son mouvement, il faut humidifier toute sa tête.

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Mouvements de l'oiseau buveur

  • Etape 1 : L’oiseau commence par basculer doucement en avant, au fur et à mesure que le liquide qui est dans le tube monte.
  • Etape 2 : L’oiseau va basculer jusqu’à ce que le bout de son bec entre en contact avec l’eau. Le liquide va continuer de monter jusqu’à remplir complètement le tube.
  • Etape 3: L’oiseau continue de basculer et c’est son bec tout en entier qui est alors immergé. La feutrine qui recouvre le bec est complètement imbibée. Les deux réservoirs sont alors reliés. Le liquide passe de l’un à l’autre.
  • Etape 4: L’oiseau bascule en arrière lentement quand le liquide redescend dans le tube, jusqu’à retrouver sa position initiale

Explications scientifiques des observations "Pourquoi ce phénomène?"

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Etape 1

  • Etape 1 : « Pourquoi le liquide monte-t-il dans le tube ? ». Le liquide qui est dans le tube dépend du modèle d'oiseau et est souvent du dichlorométhane(*). Il est important de mentionner que le tube ne contient pas d'air : si le liquide est du dichlorométhane, alors le gaz au-dessus du liquide sera aussi du dichlorométhane. Au contact de la température ambiante, le dichlorométhane, qui est dans le tube sous forme de gaz, va se dilater et exercer une pression sur le dichlorométhane liquide qui est présent dans le même tube. La pression va faire monter le liquide dans le tube.

(*) Le dichlorométhane est un composé chimique se présentant à température ambiante comme un liquide incolore et volatil. (Densité : 1,33 g/cm³, Formule : CH2Cl2, Point d'ébullition : 39,6 °C, Masse molaire : 84,93 g/mol, Point de fusion : -96,7 °C)

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Etape 2

  • Etape 2 : « Pourquoi l’oiseau bascule-t-il en avant ? ». La feutrine s’imbibe d’eau et la pression dans le réservoir du haut va diminuer. Cela produit une sorte d’aspiration, faisant monter complètement le dichlorométhane dans le tube. Le refroidissement de la tête de l’oiseau provoque un phénomène d’évaporation au contact de la température ambiante. De ce fait la pression du réservoir supérieur diminue et fait redescendre le liquide dans le réservoir du bas. Il y a donc une différence de température entre le réservoir du haut (qui est froid) et le réservoir du bas qui est plus chaud, c’est à dire à température ambiante.
  • Etape 3 : « Pourquoi l’oiseau revient-il à sa position initiale ? ». Le gaz chaud du réservoir du bas va alors monter et se mêler au gaz froid du réservoir du haut. Ça va donc créer une aspiration dans le réservoir du bas, ce qui va faire redescendre le dichlorométhane liquide. On va donc revenir à la position initiale, avec du gaz froid en bas et du gaz chaud en haut. Le mouvement se répète ensuite. Rencontre de gaz à 2 températures différentes. C’est le conflit thermique qui va créer une aspiration du liquide dans le réservoir du bas. Cela va provoquer un mouvement arrière de l’oiseau, qui va le ramener progressivement à sa position initiale.
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    Etape 3

Une définition scientifique de l’oiseau buveur serait : « L'oiseau buveur est un moteur thermique qui fonctionne entre une source chaude (l'atmosphère environnante) et une source froide (la zone humide autour de son bec). Le mouvement de bascule est provoqué par la circulation d'un liquide entre les deux compartiments du tube. La position d'équilibre n'est pas la même suivant que le liquide se trouve dans le compartiment haut ou le compartiment bas. »

Nos hypothèses "Que se passerait-il si … ?"

  • Hypothèse N°1 : nous émettons l’hypothèse que l’oiseau ne s’arrêtera jamais de basculer, et que son mouvement est perpétuel.
  • Hypothèse N°2 : nous émettons l’hypothèse que l’oiseau ne bouge pas, c’est-à-dire qu’aucun mouvement n’est visible à l’observation, si le verre contient de l’eau bouillante (90°C).
  • Hypothèse N°3 : nous émettons l’hypothèse que l’oiseau bascule plus vite, c’est-à-dire qu’il accélère son mouvement, si le verre contient de l’eau glacée (0°c).

Nos expériences (pour confirmer ou invalider nos hypothèses)

Expérience N°1 : Reproduire la mise en situation classique de l’oiseau et observer s’il s’arrête, s’il ralentit ou bien si le mouvement est sans fin.

  • Conditions d'expérience : Eau à température ambiante : 21°c / Volume d’eau : 20 cl / Niveau de l’eau : 9 cm (dans un verre de 10 cm de haut)
  • Observations : Au bout de 13 jours, l’oiseau s’est arrêté de basculer et à repris sa position initiale. Il est resté définitivement à la verticale. Nous avons pu observer que le niveau de l’eau avait baissé de 2,3 cm, dû à une évaporation naturelle. De ce fait, le bec de l’oiseau ne pouvait plus être en contact avec l’eau. L’eau n’a plus assuré sa fonction de refroidisseur de la tête de l’oiseau.
  • Contenu du verre au bout de 13 jours :    Eau à température ambiante : 21°c / Volume d’eau restant : 10 cl / Niveau de l’eau : 5 cm
  • Conclusion expérience N°1 : L'oiseau s'est arrêté de basculer. Dans ces conditions d’expérience, le mouvement de l’oiseau n’est pas perpétuel car il est dépendant d’un élément extérieur variable (l’eau).
  • NB. Que se passerait-il si on pouvait maintenir le niveau d’eau ? Le mouvement serait-il perpétuel ? Des expériences ont été menées sur le sujet, concluant au fait suivant : « si on disposait d’une source d’eau conséquente, l’oiseau s’arrêterait lorsque le milieu où il est situé serait saturé en eau, et donc lorsque l’eau ne pourrait plus s’évaporer. »

Expérience N°2 : Remplacer l’eau du verre par de l’eau bouillante (90°c)

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  • Nous avons reproduit exactement les conditions initiales, mais en changeant l’eau du verre. L’eau n’est plus à 21°C mais à 90°C.
  • Observations : Le mouvement de l’oiseau se ralentit. Le liquide monte très doucement dans le tube, jusque dans le réservoir du haut. L’oiseau s’arrête en position verticale pendant 12 secondes. Il replonge son bec dans l’eau et repart immédiatement et brusquement en arrière. A l’observation, nous remarquons que la phase d’arrêt est nette et dure 12 secondes. Alors que l’expérience de référence, montre un ralentissement du mouvement, qui est à la limite de l’arrêt, mais pas d’arrêt.
  • Conclusion expérience N°2 : Notre hypothèse est invalidée. L’eau bouillante a reproduit le choc thermique nécessaire au mouvement de balancier de l’oiseau.

Expérience N°3 : Remplacer l’eau du verre par de l’eau glacée (0°c)

  • Nous avons reproduit exactement les conditions initiales, mais en changeant l’eau du verre. L’eau n’est plus à 21°C mais à 0°C.
  • Observations : L’oiseau bascule en avant, au moment où le liquide atteint le réservoir du haut. Il trempe son bec et immédiatement retourne en arrière pour reprendre sa position initiale. Et il repart aussitôt en avant pour tremper son bec. un nouveau cycle est amorcé. Nous n’observons pas de différence de rythme entre l’expérience de référence (eau à température ambiante) et notre expérience (eau glacée).
  • Conclusion expérience N°3 : Notre hypothèse est invalidée. L’eau glacée n’a pas été un accélérateur du rythme du mouvement du balancier.

Bibliographie

Activité récente


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