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humour newton et la pomme
Parfois, certaines expériences physiques ont un dénouement qui ne suit pas l’intuition ou la logique.
Parfois même le résultat est exactement le contraire de l’idée que l’on veut faire passer : c’est le cas par exemple du radiomètre de Crookes, l’« éolienne à lumière ». Crookes voulut un jour démontrer que la lumière pouvait exercer une pression, et il construit ce dispositif rotatif. Son expérience fonctionna : les pales se mirent à tourner… mais dans le sens contraire à ce qui avait été prédit, et il a fallu attendre des cerveaux comme Einstein ou Reynolds pour comprendre tout ça !

Ci dessous, quelques autres de ces expériences aux résultats inattendus, mais qui ne peuvent être remis en cause : l’expérience montre la réalité des faits par définition, et on ne peut pas changer les faits.

Les pendules couplés

deux pendules couplés

Tendez légèrement un fil entre deux supports. Accrochez à ce fil deux autre fils avec chacun une bille au bout. Mettez une des billes en mouvement et observez : vous verrez que le premier pendule va finir par ralentir alors que le second qui était à l’arrêt va se mettre en mouvement.
Cette inversion va se répéter indéfiniment.

Pourquoi ?
Les deux pendules ne sont ici pas indépendants : ils sont couplés par le bout de fil qui relie les deux pendules. C’est lui est important ici, et il joue un peu comme le troisième pendule de l’histoire, qui va rythmer l’inversion du mouvement des deux autres.

Physiquement, les oscillations augmentant d’un côté et s’affaiblissant de l’autre montrent une conservation de l’énergie mécanique sur les deux pendules : l’énergie passe de l’un à l’autre de façon à ce que le total soit toujours constant.
L’alternance dans les oscillations et de la mise à l’arrêt d’un pendule traduit le fait que le transfert d’énergie est lui même oscillant : l’énergie est bien conservée, mais passe d’un pendule à l’autre et revient.

D’un point de vu plus théorique, les équations régissant les oscillations sont ici des équations différentielles du second ordre, ce qui signifie que le balancement d’un des pendules dépend des variations dans le balancement du second (et non plus seulement du balancement). De plus, cette variation se faisant en sens inverse, on explique alors que le second pendule et à son maximum d’amplitude quand le premier est à l’arrêt, et inversement.
Les solutions de ces équations différentielles du second ordre sont des fonctions sinusoïdales alternatives. Ceci explique le fait que le transfert d’énergie se fait dans un sens puis dans l’autre alternativement.

L’agitation de particules

billes rebondissent

On fixe une petite boite scindée en deux compartiments par une barrière plus basse que le bord sur un haut parleur relié à un générateur basses fréquences (GBF). Chaque compartiment contient des petites billes de plastiques.
Quand on met le GBF sous tension, la boite se met à vibrer sur le haut parler et les billes se mettent à sautiller.

On aurait tendance à penser que les billes sauteront sans cesse d’un compartiment à l’autre, et qu’à la fin on trouve sensiblement le même nombre de billes d’un côté que de l’autre.
En réalité, au bout d’un moment, les billes sont toutes allées dans un seul compartiment laissant l’autre complètement vide.

Que ce passe-t-il ?
En fait, les billes s’entrechoquent et rebondissent les unes contre les autres. Or les rebonds étant toujours moins hauts que la hauteur de lâcher (chaque choc dissipe de l’énergie : bruit, frottements, élasticité…), si on met plus de billes, il y aura plus de chocs et plus de pertes d’énergie : les billes sautent donc moins haut.

Au début, s’il y autant de billes des deux côtés, on a autant de chances qu’une bille de gauche passe à droite ou qu’une bille de droite passe à gauche.

Admettons qu’une bille passe de droite à gauche : dés lors, il y a plus de billes à gauche qu’à droite. Du coup, les billes à gauche subissent d’avantage de chocs et sautent moins haut. À droite c’est l’inverse : moins de billes signifie moins de chocs et les billes sautent plus haut : les billes de droite ont donc plus de chances de passer à gauche. Ce sont bien les première billes qui changent de côté qui vont déterminer là où se trouveront toutes les billes à la fin.

Lorsqu’un grand nombre de billes sont à gauche, ce n’est qu’une question de temps pour que toutes les billes y passent.

Quand toutes les billes sont du même côté, le système est stable et n’évolue plus : les frottements sont suffisants pour empêcher totalement les billes de passer de l’autre.

L’effet Mpemba

L’effet Mpemba est le nom du phénomène qui fait que l’eau chaude gèle plus rapidement que l’eau froide.
Placez au congélateur deux gobelets d’eau (pas en verre sinon ça casse) : un gobelet d’eau froide (du robinet) et un gobelet d’eau chaude. Si vous laissez ça au froid, vous verrez que le gobelet qui voit l’eau se solidifier en premier est celui qui contenait de l’eau chaude.

Pourquoi ?
La raison à ce phénomène n’est pas encore tout à fait claire. L’effet est connu depuis l’antiquité mais a été redécouvert par hasard dans les années 1960 par E. Mpemba qui a donné son nom à l’effet Mpemba.
Cela semble une combinaison de plusieurs facteurs : qualité de l’eau (perso avec l’eau du robinet ça a toujours marché), surfusion, givre, évaporation, mouvements dans l’eau…

Le phénomène fait encore partie de ces énigmes de la science…

source image d’en-tête

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qwerty wrote:

pour le dernier effet, perte d'énergie plus importante ?

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Le Hollandais Volant wrote:

@qwerty : C'est en effet bien ça, mais pourquoi ?
L'eau perd plus d'énergie en un temps plus court.

Certaines idées comme "quand c'est chaud il se créé une convection plus importante" ou "chaud, les molécules se mettent plus rapidement dans une configuration moléculaire proche de la glace" semblent être à l'étude, ou reviennent parfois.

Perso, l'effet me fascine assez, mais je n'est pas encore d'idées sûres sur la cause, ni de quoi prouver quoi que ce soit.

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lvf wrote:

pour l'experience des pendules couplés, est qu'il se passe la meme chose avec plus de deux pendules a ton avis ? ou alors ca donne quelque chose comme ça https://www.youtube.com/watch?v=kqFc4wriBvE

le deuxieme phenomène fait pensser a une forme de démon de maxwell (les particules peu enrgetiques seraient l'air) sauf quil n'est pas absoul (certaines particules peuvent repasser de l'autre coté, et on ne sait pas de quel coté les billes vont aller.
cependant il y a bien un apport d'énergie (enceinte) et on observe une dissipation (les chocs)

je trouve ca étonant que l'on arrive pas à expiquer l'effet Mpemba on connait plusot bien ce genre de phénomène et a première vue il semblerait que :
l'eau chaude s'évapore (prerte de masse) plus que l'eau froide, ceci est favorisé par la faible pression de l'air ambiant dû au froid.
De plus si il y a plus d'agitation il ya donc un effet joule plus important.
Mais aussi une convection plus grande : la surface va refroidir plus vite que le reste (en contact direct avec l'air) et donc va redescendre et donc laisser la place a de l'eau plus chaude pour se refroidir ceci peut aussi entrainer un mouvement général qui pourrait se conserver au fil de la réaction.
Et peut etre les liaisons hydorgènes (a verifier avec un liquide sans liaisons hydrogène) qui à certaines températures favorisent ou défavorisent les déplacements des molécules.

la perte rapide de température est compérenssible mais le passage en dessous de la courbe de l'eau a 18° doit donc etre dû a des conditions crees par cette diminution rapide de température.

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Le Hollandais Volant wrote:

Les métronomes qui se synchronisent c'est plutôt dû au support qui est mobile, et qui entre en résonance, faisant enfin en sort que tous les métronomes suivent son rythme à lui.

Ce n'est pas tout à fait pareil, car le support ici n'est pas souple mais fixe.

Les deux pendules, c'est comme deux enfants sur une balançoire, chacun sur son propre "siège", et tenant un gros élastique.
Les métronomes cest la même chose, mais avec un bâton non-extensible à la place de l'élastique. (c'est un peu foireux, car le métronome n'est pas trop comparable je crois aux pendules, mais l'idée est un peu ça.)

Pour le démon de Maxwell, le démon en question serait la dissipation d'énergie : c'est elle qui fait que à droite les particules passent à gauche, mais à gauche, ils ne peuvent pas aller à droite.
On pourrait le voir comme ça oui, même s'il faut faire gaffe avec ce concept de démon : le démon de Maxwell est une idée où ce dernier dispose d'une faculté de raisonnement, alors que la physique n'en a pas.

Pour l'eau, oui, c'est le passage sous la courbe de l'eau froide qui constitue le mystère. Il est difficile d'isoler les paramètres. Peut être devrait-on essayer l'expérience sous haute pression, sous atmosphère d'azote pure, ou même sans atmosphère et dans un liquide (alcool, essence...) pour éviter l'évaporation et disciminer un paramètre.
Mais, en milieu clos (gobelet scellé), le phénomène semble toujours présent. Quant à la pureté de l'eau, Ernesto Mpemba a redécouvert l'effet avec du lait, donc bon...

Un question que je me pose après : l'effet est-il inversible ? Est-ce que l'eau froide bout plus vite que l'eau chaude ? Je proposerais même d'essayer au micro-onde, c'est plus homogène.

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lvf wrote:

Cependant la corde principale oscile elle se comporte un peut comme la plaque sur laquelle sont possé les métronomes.
de plus je pensse que les metronomes sont ascimilable a un pendule, dans le fond on utilise le meme phenomène. et ils transimetnent de l'énergie à leur support (comme les pendules). bien que c'est vrai que comme tu le dis il ny a pas de défonrmation de la part du metronome, contrairement au pendule, du moins pour le fil principal.
peut etre que le transfer d'energie se passe se pase dans l'autre sens, pour le pendule c'est dans son sens alors que pour le metronome c'est dans le sens opposé (du poids qui est en bas)
mais aussi du fait du mouvement l'axe de rotation du metronome change (d'un point de vu d'un repere galilen), alors que pour le pendule il y en a pas vraiment....


euh de l'alcool et l'essece sont tres volatiles...
Je ne pensse pas et c'est une mauvaise idee de l'essayer avec un micoondes car on a ici un apport d'energie de manière electromagnetique, qui est justement homogène, toutes les particules vont gagnier de l'energie même temps.
L'effet Mpemba fonctionne (a mon avis) justement parce que transfert n'est pas homogène (par contact de surfaces).
Je pensse cependant que ce phénomène ne peut etre inversible car on a pas une symetrie c'est pour cela justemtent que l'effet fonctionne, autrement dit la en augmentant la température on augmente les mouvements convectifs donc tt les bocaux que que soient leur température initiale auront les mêmes mouvement internes, cependant en refroidissant il n'y a que tres peu resistance a ces mouvement (et il ne sont pas (ou tres peu)) porteurs de chaleur.(il vont même avoir tendance a dissiper)

Je pensse qu'il serait interessant d'observer ce qu'il se passe en fesant reaugmenter la température a partir du moment oules deux on la même température (si ca reaugmente plus pour l'eau "chaude" c'est que c'est du a un mouvement convectif, si elles sont identiques alors on a un serieux problemme, si l'eau "froide" augemnte plus vite alors tu as surement raison et le phenomene est surment inversible (dans les deux derniers cas il faut revoir les explications possible et prendre en compte d'autres théories : quantique, relativiste, NSA... :p)

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Le Hollandais Volant wrote:

@lvf :

Cependant la corde principale oscille elle se comporte un peut comme la plaque sur laquelle sont posées les métronomes.

Attention, la plaque qui bouge est solide et ça change tout : ce n’est plus le même problème. On passe d’un problème à deux pendules couplés, à un pendule de référence (arbitrairement choisis) et un autre pendule soumis à une oscillation forcée.

Lors d’une oscillation forcée, le pendule prend la période d’oscillation — et la phase — du "forceur".

Les deux oscillations sont amplifiées si elles ont la même période propre (ce qui est le cas si les métronomes sont réglées pour avoir la même période, ou si les pendules ont la même longueur (la masse n’importe pas du tout).

Du coup, une fois que les deux pendules sont synchronisées, l’énergie totale est celle du pendule initialement mis en mouvement, mais le système reste tel qu’il est là : chaque pendule à 50% de l’énergie de départ (aux frottements prés).


Euh de l'alcool et l'essece sont tres volatiles...

En effet, ça peut poser problème si il y a un « pompage » de chaleur trop important. Mais si on met tout ça en milieu clos et adiabatique (aucune chaleur ne sort).

Le choix de l’essence et de l’alcool ici c’est juste pour un liquide a point de fusion bas (pas trop non plus) et à densité inférieure à l’eau.

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Amaury wrote:

Dans la série « contre intuitif », mais un peu différent, j'ai remarqué que le mouvement brownien surprend beaucoup de monde.
Surtout quand on le met en évidence avec, par exemple, des particules très légères sur un liquide parfaitement au repos (semble immobile), et que l'on voit au microscope que ces particules bougent.

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Arfy wrote:

Pour L’effet Mpemba
Je me demande par contre, si le premier perd plus de poids que le deuxième.

Je pense qu'il doit aussi y avoir

* un lien avec le "mouvement de liquide" qu'il y a dans un verre d'eau chaude: on voit des flux se créer
* et avec la fameuse expérience de l'eau à la limite du gèle et à qui il faut/suffit un petit "coup" pour qu'on voit le liquide se geler à l’œil nu

=> ici le flux de l'eau chaude va peut être amorcer plus vite la formation de glace sur les bords ? Mais c'est une supposition ;)

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Arfy wrote:

@Le Hollandais Volant : Plus de poids: oui pardon, évaporation plus intense car plus chaud. Donc je me demandais s'il n'y aurait pas "moins" de liquide à geler.
Mais ça doit être assez négligeable.

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lionel wrote:

Bonjour,
Très intéressant! Merci pour ces explications et réflexions.

L'effet Mpemba : Ne peut il pas y avoir une sorte d'inertie sur les pertes colorifiques qui dans l'eau chaude est plus grande ?
les flux énergétique de l'eau vers l'air étant plus important lorsque l'eau est chaude, je m'imagine que ce flux conserve sa force, sa grandeur (comme une inertie pour les masses) même lorsque sa temperature diminue et s'approche de zero.
ainsi, l'eau chaude gèle plus rapidement que l'eau froide?
En plus d'autres phénomènes décrits précédemment ici...

J'imagine qu'il y a une limite au phénomène
lorsque l'écart de température est trop grand entre les 2 liquides (chaud et froid) le froid doit geler plus rapidement.

Aussi, Savez vous si la variation (refroidissement ou rechauffement) de la température de l'eau est linéaire ou evolutive (elle est lente au début puis elle accélère ensuite) ?

Conscient d'avoir peux de connaissance en physique et chimie mais tout ceci me plaît et m'interroge !

Merci pour m'avoir lu

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Le Hollandais Volant wrote:

@lionel : Bonjour !

Je ne pense pas que les transferts thermiques aient une inertie. Elles ne dépendent ici que de la température des éléments au moment du transfert. Par contre, il peut y avoir une inertie dans les mouvements convectifs de l’eau, mais ceci n’a pas semble suffisant pour expliquer la totalité du phénomène.

Aussi, Savez vous si la variation (refroidissement ou rechauffement) de la température de l'eau est linéaire ou evolutive (elle est lente au début puis elle accélère ensuite) ?

Elle dépend la différence de température. Elle est donc rapide au début et lente à la fin.

Quand l’eau est chaude et le frigo très froid, la différence de température est grande et les transferts thermiques sont importants. Quand l’eau devient froid, sa température est proche de celui du frigo et les transferts sont plus faibles. C’est pour cela que tout ceci est contre-intuitif…


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