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Il te faut:
- Un stylo à bille comme sur la photo ci-dessous par exemple
- Des trombones
- Du ruban adhésif
- Un petit morceau de pâte à modeler
- Une bouteille en PET d'un litre ou plus
Ton sous-marin doit flotter en haut de la bouteille. Si ce n’est pas le cas et qu’il tombe au fond, c’est qu’il n’y avait pas assez d’air dedans. Vide la bouteille pour récupérer ton sous-marin et recommence (au point 7.) en mettant moins d’eau dans ton sous-marin.
Quand tes réglages sont bons tu peux passer à la suite.
Remarque: le trombone est utile pour que le bout ouvert du stylo soit plus lourd et soit bien orienté vers le bas. Tu peux rajouter un deuxième trombone mais il te faudra plus d’air dans ton stylo.
Comme dans la vidéo, appuie sur la bouteille assez fort et tu verras ton sous-marin descendre. Observe bien le niveau de l’eau dans le corps du stylo quand tu presses sur la bouteille. Relâche la pression et ton sous-marin remontera.
Vidéo: rédaction SimplyScience
Ce dispositif s’appelle aussi un ludion.
Deux phénomènes physiques entrent en jeu: la compressibilité de l'air et la poussée d'archimède.
Le corps du stylo est en partie rempli d'air, suffisamment pour qu’il flotte. La masse de l'air est négligeable et le poids de l'ensemble est le poids du stylo.
L’air est compressible alors que l’eau ne l’est pas (ou extrêmement peu). La pression que tu exerces sur la bouteille est transmise par l’eau à l’air dans ton sous-marin. Ainsi l'air se comprime et son volume diminue. L’air prend donc moins de place. La place libérée par l'air est alors occupée par l’eau qui pénètre par le bas du stylo.
Le volume du stylo (avec l’air) a diminué. Ton sous-marin descend donc car la poussée d'Archimède qu'il subit a diminué. Le poids est resté constant.
Lorsque tu relâche, la pression exercée diminue, l’air se dilate et reprend plus de place dans le stylo. Le dispositif stylo/air a un plus grand volume. Et la poussée d’Archimède augmente à nouveau. C’est le même principe que l’expérience la péniche en pâte à modeler, la masse, (donc le poids) restait constante mais le volume de la pâte à modeler changeait.
La poussée d'Archimède est une force expliquée par le principe d'Archimède : « Tout corps plongé dans un fluide reçoit de la part de celui-ci une poussée verticale dirigée du bas vers le haut, égale au poids du volume de fluide déplacé. »
Pour les vrais sous-marins, le dispositif qui s'emplit d'eau et d'air s’appelle ballast.
La différence avec le ludion est que comme les ouvertures sont relativement plus étroites, on peut le volume du sous-marin dans son entier (comme si les ouvertures étaient fermées). Lorsque l'eau remplace l'air dans le ballast, le poids du volume du sous-marin augmente, augmentant la force qui s'oppose à la poussée.