Cycle 3 : Le sablier à eau pour le temps de parole A/ Objectifs 1. Mettre en œuvre une démarche scientifique [expérimentale et technologique] 2. Initier à la recherche de solutions techniques 3. Acquérir des connaissances et des compétences relatives aux techniques et procédures de fabrication. B/ Compétences visées - Matérialiser l air et son caractère pesant - Utiliser des instruments de mesure (chronomètre, balance, double décimètre) - Recommencer une expérience en ne modifiant qu un seul paramètre. - Mettre en relation des données et les interpréter - Mettre en relation des observations et des savoirs. - Rédiger un compte rendu intégrant des schémas. Etape n 1 : observation du sablier du maître Problème Hypothèses des enfants Tester les propositions On voudrait réaliser un sablier à eau. Parce c est gratuit et que ça doit bien couler. Mais dans le sablier à eau du maître, l eau ne coule pas. Comment le faire fonctionner? 1. Le trou d écoulement n est pas assez gros. 2. Il faut plusieurs trous bien au milieu 3. Il n y a pas assez d eau dans la bouteille du haut Expériences guidées par le maître, faites par un élève devant toute la classe. Matériel : - Plusieurs bouchons percés de diamètre différents ou de plusieurs trous. - De l eau colorée. Les tests : Résultat attendu : L eau doit s écouler entièrement. Remarques : 1. Pour l hypothèse n 1 et 2, donner trois bouchons percés (un diamètre 4, un diamètre 9 et un de deux trous). 2. Pour l hypothèse n 3 «Il n y a pas assez d eau dans la bouteille du haut», on met un peu d eau dans le bouchon dévissé de la bouteille et ça coule (donc hypothèse fausse)
Conclusion n 1 :: Quelque chose empêche l eau de descendre! Mais quoi? Expérience : Le maître propose alors une expérience de l entonnoir relié de façon étanche à une bouteille (avec de la pâte à modeler par ex). Quand on remplit l entonnoir d eau, celle-ci ne coule pas. Qu est ce qu il y a dans le bouteille qui peut s opposer à l eau située dans l entonnoir? Si c est l air, comment peut on le vérifier? Le maître propose de glisser une paille pour faire sortir l air Et ça marche, l eau descend dans la bouteille. >>> Schématiser l expérience et légender. Conclusion n 2 : L air contenu dans la bouteille empêche l eau de prendre sa place si on ne lui permet pas de sortir. (l entonnoir est fixé de façon étanche sur la bouteille avec de la pâte à modeler). Etape n 2 : vers une première solution : Problème Hypothèses des enfants Notre sablier à eau ne fonctionne pas. Mais dans l expérience de l entonnoir relié de façon étanche à une bouteille, l eau descend si une paille laisse sortir l air emprisonné dans la bouteille. Peut on adopter la solution de la paille avec le sablier à eau? Quelle serait la longueur de la paille? Une seule hypothèse semble bonne, 2 passages différents pour l eau et l air à l aide d une paille dans un des trous. Les tests : Faire des essais avec des pailles de plusieurs longueurs. Conclusion n 3 : Il faut une assez longue paille dans un des trous pour faciliter la remontée de l air sans turbulence (sans subir la pression de la hauteur d eau).
Etape n 3 : Fabrication : On sait maintenant construire un sablier qui fonctionne avec de l eau. Il faut maintenant en fabriquer un par groupe. Problème Hypothèses des enfants Tester les propositions 1. Comment les fabriquer en toute sécurité? 2. Comment peut on les utiliser? 1. Il faut tout préparer à l avance. 2. On met plus ou moins d eau dans la bouteille du haut. Recherche guidée par le prof. Fabrication par groupes Etalonnage avec un chronomètre Matériel : - Deux bouteilles plastiques - Un bouchon adapté au diamètre - Une chignole ou une perceuse à main + des forets - Une paille - Un étau - Un entonnoir - Une montre chronomètre. Procédure de fabrication du d sablier Action 1 Coller les bouchons avec de la colle «spéciale PVC» (colle utilisée en plomberie), (temps de séchage = quelques heures). Ajuster le bouchon de liège au diamètre de la bouteille avec une râpe. (Attention la plupart des bouteilles ont un goulot de diamètre 25 alors que les bouchons de liège standard ont un diamètre 24) Action 2 Action 3 Serrer le bouchon dans un étau. Choisir un foret de taille égale au diamètre de la paille Et un autre plus petit pour le 2 ème trou.
Percer avec une chignole (petite perceuse à main) Action 4 Action 5 Retirer les copeaux et poussières. Etape n 4 : étalonnage : On connaît la bonne longueur de paille. La vitesse d écoulement ne peut être modifiée. Problème Comment le régler à 30 secondes? Hypothèses des enfants On faire varier la quantité d eau. Procédure d étalonnage : 1. Mettre l eau dans une bouteille avec un entonnoir 2. Fixer le bouchon sur la bouteille 3. Venir fixer la 2 ème bouteille au dessus. 4. Retourner le sablier. 5. Etalonner avec une montre chronomètre Conclusion n 4 : Un sablier est prévu pour un usage bien défini. Il faut donc le fabriquer en fonction du besoin de départ. Vocabulaire acquis : Besoin, Durée, temps, débit, diamètre, mm (millimètre), seconde ( ), perceuse, foret, pression, dépression, procédure de fabrication,
Etape n 5 : Qu est qu une clepsydre? L écoulement de l eau d une rivière semble parfaitement continu et uniforme, c est pourquoi les hommes l ont associé à l idée qu ils se font de l estimation du temps. C est ainsi qu est née l idée de la clepsydre. Le principe est simple : un récipient (par ex un vase dans la clepsydre à variation du 2ème millénaire avant JC) percé laisse s écouler l eau de façon continue et uniforme. Après mesure du temps que met le vase pour se vider, on peut graduer ce dernier pour indiquer le niveau d eau correspondant à une heure. Mais ce type de clepsydre est précis au quart d heure près. Mais il y a, dans cette technique, un grand nombre d imprécisions qui la rendent trop approximative : La mesure du temps de référence (par cadran solaire) est trop imprécise pour étalonner correctement une clepsydre. L obstruction, même partielle, de l orifice peut provoquer des erreurs très importantes. La viscosité de l eau qui varie en fonction de la température n est pas non plus négligeable. Toutes ces erreurs n ont pu être corrigées que bien plus tard, lorsque la mécanique des fluides et les lois de la thermodynamique sont maîtrisées. Ainsi la clepsydre a connu bon nombre d évolutions et de perfectionnements au cours des siècles. - Il y a eu la clepsydre «à écoulement constant», dont le principe est de maintenir plein le réceptacle (engendrant un débit constant de ce dernier) par le biais d un récipient en amont ayant un plus grand débit ; - Sa forme tronconique permet de compenser la diminution du débit due à la baisse de pression lorsque le niveau du liquide descend. La clepsydre est l ancêtre du chronomètre.
Quelques clepsydres qui ont marqué leur époque : Date 1500 avant J-C 1100 avant J-C 350 avant J-C 100 avant J-C 807 Moyen Age XVIème Siècle Lieu et indications La plus ancienne clepsydre connue est actuellement conservée au musée du Caire. Elle a été construite sous le règne d Aménophis III. Le bol est en albâtre et a une capacité de 28 litres. C est un instrument formé de plusieurs réservoirs d eau situés les uns en dessous des autres. Au cours de l hiver, on chauffait l eau pour éviter la congélation. (Chine) Leur usage s établit dans les tribunaux grecs où elles servent à mesurer le temps des plaidoiries. A leur tour, les Romains les utilisent dans les maisons de justice. Ils la dotent de flotteurs reliés aux aiguilles d un cadran. Dans la vie privée, certains grands Romains l utilisent pour donner audience. Les Arabes ont développé des clepsydres très évoluées : ainsi la clepsydre à automates offerte par l ambassade du Calife Haroun el Rachid à Charlemagne. Néanmoins, leur complexité sert plutôt aux aspects décoratifs qu à la précision. Elles sont utilisées pour indiquer le moment de sonner les cloches pour appeler les moines à la prière. Le Danois Brahé construit une clepsydre à mercure car il n est pas satisfait de la fiabilité des autres. Néanmoins le résultat n est pas très concluant. Le point faible des clepsydres est leur source d énergie (l eau). Elles ne sont pas des instruments fiables. «Ceux d eau, écrivait le chronologiste Juste-Joseph Scaliger, comparant les clepsydres à eau et à sable sont moins durables et plus sûres car le sable s amoncelle quelquefois ou il s humecte, si bien qu il ne coule pas toujours ; l eau coule perpétuellement où il y a le moindre trou mais elle se consume ; et il en faut plus mettre.»