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On trouve des bouts de science dans les endroits les plus improbables : aujourd’hui, parlons de cuillères à glace. Celles utilisées par les glaciers, avec un manche en aluminium très épais, comme celle-ci :

cuillère à glace à manche eutectique
Une cuillère à glace de glacier (crédit image)

Elles sont appelées cuillères à manches eutectiques.

Alors quel est le délire derrière cet ustensile au nom barbare ?
Et bien elle permet de faire des boules à glace avec une simplicité redoutable, même dans de la glace très froide et très dure, là où une cuillère normale restera coincée à peine l’avez-vous planté dedans.

Mais comment ça marche ?

En fait il y a deux choses.

Tout d’abord, le manche est un gros bloc aluminium.
L’astuce est que cela permet d’emmagasiner une bonne quantité de chaleur, et donc de rester chaud et faciliter la découpe de crème glacée. De plus, l’aluminium a un excellent coefficient de conductivité thermique. Cela lui permet d’absorber la chaleur de la main pour la transférer rapidement à l’autre bout de la cuillère et ainsi faciliter encore plus le travail du glacier.
Les glaces étant généralement servies en été, c’est alors le soleil qui réchauffe la cuillère.

Le second point concerne le manche : il est creux et rempli de liquide.
Ce liquide est là pour augmenter encore plus la transfert de chaleur du manche vers la partie de la cuillère en contact avec la glace (le liquide transporte plus facilement la chaleur qu’un solide, notamment grâce à la convection), mais aussi d’absorber une quantité encore plus importante de chaleur.
Ce liquide, un mélange d’eau-glycérol, peut rester liquide jusqu’à −38°C. Le glycérol empêche l’eau de geler à sa température normale de solidification. C’est de là que vient le terme d’eutectique : un mélange eutectique se comporte comme un corps pur, alors que normalement un des constituants du mélange devrait déjà se solidifier. Le même phénomène permet au sel d’abaisser le point de fusion de l’eau jusqu’à −21°C.
Le mélange eau-glycérol est (ou était) parfois utilisé comme antigel ou liquide de refroidissement dans les voitures ou les avions. Le mélange eau-éthanol était également commun à certaines époques.
Le choix d’un mélange eutectique contenant de l’eau plutôt qu’un autre liquide simple s’explique par la capacité thermique de l’eau, qui est particulièrement élevée pour un liquide et accentue donc l’efficacité de la cuillère.

Pour résumer : ces cuillères à glace, inventées dans les années 1930, utilisent la chaleur de la main pour faciliter la création de boules de glace en se servant d’un corps en aluminium massif et d’un liquide renfermé dans le manche. Les phénomènes qui interviennent sont la conductivité thermique, la capacité thermique et les propriétés antigel des mélanges eutectiques.

Ces cuillères ne doivent pas être placées dans le lave vaisselle et doivent au contraire être lavées à l’eau tiède ou froide, pour éviter au liquide à l’intérieur de perdre ses propriétés ou d’augmenter en pression.

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Envie de faire quelques trucs marrants ?

Un aimant puissant et un rouleau de papier alu


Pour l’aimant puissant, celui utilisé pour soulever les boules de pétanque ou plusieurs aimant de disque dur collés ensembles ou un puissant aimant d'enceinte font l’affaire. Le rouleau d’alu doit être pratiquement neuf (il doit y avoir beaucoup d'aluminium dessus) sinon n’importe quel tube d’aluminium ou de cuivre fait aussi l’affaire, du moment que le diamètre soit à peine plus gros que celui de l'aimant.

L’expérience : Faites simplement tomber l’aimant à travers le rouleau de papier alu, et remarquez qu’il tombe au ralenti (comme dans cette vidéo utilisant un tube de cuivre à la place) !
Si vous n’êtes pas convaincus : faites tomber autre chose, comme une pile ou une pièce de monnaie et comparez.

L’aluminium, comme le cuivre ne sont pas magnétiques : un aimant ne reste pas collé dessus. En revanche, il ralenti lors de sa chute : pourquoi ?

L’explication : la réponse est l’induction électromagnétique : le déplacement de l’aimant génère un courant électrique dans le tube d'aluminium (mais on ne peut pas le sentir). Ce courant va à son tour générer un champ magnétique, et ce champ magnétique va s’opposer à celui de l’aimant et donc va s’opposer à sa chute et la ralentir.

La puissance du vinaigre


Vous saviez que le vinaigre ou même le Coca-Cola® étaient des produits suffisamment acides pour dissoudre des métaux ? Comme par exemple du du bronze ou du zinc ? Il peut aussi dissoudre de la craie ou la coquille d'un œuf.

L’expérience : dans un bol, versez un fond de vinaigre et mettez un bout de craie dedans : il commencera à se dissoudre avec des bulles ! Avec une vieille pièce en zinc, cela marchera aussi mais il faudra peut-être rajouter un peu de sel et laisser tout ça reposer une nuit. Au lendemain, la pièce aura disparue, ou au moins en partie !

L’explication : pour la craie : les ions hydrogène présent dans l’acide réagissent avec la craie pour former des ion calcium et du dioxyde de carbone avec la réaction : CaCO3 + 2H3O+ = Ca2+ +CO2+ H2O.
Pour le zinc, c’est la même chose : les ion hydrogène attaquent le zinc pour en faire des ions et de l’hydrogène gazeux : Zn + 2H3O+ = Zn2+ + H2 + 2H2O.

Mesurer l’épaisseur d’un cheveux avec un laser


Si vous visez un laser sur un cheveux, le point lumineux est diffracté et forme plusieurs taches. En mesurant la taille des taches, on peut calculer le diamètre du cheveux !

L’expérience : en face d’un mur blanc, à précisément 2 m, tenez un cheveux. Visez dessus avec laser rouge. Vous verez alors plusieurs taches lumineuses sur le mur, dont une grande tache centrale. Mesurez la taille de cette tache (en cm).

Pour avoir le diamètre du cheveu, effectuez le calcul suivant (pour un laser rouge) :
épaisseur du cheveux (en micron) = 260 ÷ largeur de la tache centrale (en cm)


Ainsi, si la tache fait 3 cm, vous savez que votre cheveu a un diamètre de 87 micron environ.
(Si vous aviez un laser vert, remplacez le 260 par 213 dans la formule.)

L’explication : ceci est possible avec la diffraction de la lumière. Une partie des rayons du faisceau passe d’un côté du cheveu, et l’autre partie passe de l’autre côté. Les deux parties sont indépendantes, mais sont identiques (même type de lumière) : les deux rayons vont interférer et former des figures d’interférence. Les taches de couleur correspondent aux endroits où les deux ondes s’additionnent et les endroits où il n’y a pas de lumière (tache sombre) correspondent aux endroits où les deux faisceaux s’annulent. L’espacement entre deux taches dépend de la couleur de la lumière, de la distance entre la tache et l’obstacle (le cheveux) ainsi que de la taille de l’obstacle, et donc du diamètre du cheveu. Un petit calcul permet alors de trouver la taille du cheveux en connaissant la couleur de la lumière et la taille de la tache.

Créer des cristaux de sel de la taille d’un dé


L’expérience : il vous faut deux verres vide, un filtre à café, de l’eau et de 100 grammes de sel.
Remplissez un verre avec de l’eau tiède, versez le sel dans l’eau et remuez jusqu’à ce que tout (ou le maximum) soit dissout. Une fois que plus rien ne se dissout, placez le filtre à café au dessus de l’autre verre et versez la solution d’eau salée dessus pour filtrer tous les grains de sel : le nouveau verre d’eau ne doit plus contenir aucun grain de sel.
Maintenant placez le verre d’eau salée dans un endroit chaud et ventilé (près d’un radiateur dans une pièce qui ne soit pas humide, donc évitez la salle de bain) et patientez une semaine sans y toucher.

Au bout de quelques jours, vous verrez pousser des cristaux en forme de cubes au fur et à mesure que l’eau s’évapore. Une fois que toute l’eau s’est évaporée ou que les cristaux de sel sont assez grands, vous pouvez les détacher et les conserver dans un endroit sec :

cristaux de sel

L’explication : le sel est un minéral cristallin, comme un rubis ou un diamant. La forme cristalline du sel est une forme cubique : les atomes sont liés selon une maille en forme de cube. Lors de la cristallisation, les atomes chlore et sodium constituant le sel vont former ces cubes et sans cesse se greffer dessus et agrandir le cube.

Des cristaux différents peuvent avoir une configuration cristalline différente. La glace, la neige ont ainsi une forme de prisme hexagonale. Le diamant, une forme tétraédrique, et le pyrite une forme pentagonododecaèdrique.

À la place du sel de table, vous pouvez essayer avec d’autres produits plus ou moins communs : de l’alun, du sulfate de cuivre, du sucre… Il vous faudra parfois attendre plus ou moins longtemps pour la cristallisation et faire attention aux produits (le sulfate de cuivre est toxique par exemple).

Oh, et ne tentez pas de produire des cristaux de diamant : ils ne se forment qu’à des températures volcaniques et des pressions colossales atteintes dans le manteau terrestre sous les continents…

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