Dans cette expérience, on va mesurer un écoulement qui dure 3 minutes en fabriquant une clepsydre.
Utiliser une clepsydre ou horloge à eau pour mesurer trois minutes, le temps de cuire un oeuf à la coque, c'est tout à fait possible. Voyons comment gérer l'écoulement du temps.
Découpe dans la première bouteille le haut et garde le bas de forme cylindrique. On va l'appeler bouteille réceptacle.
Découpe le bas de la deuxième bouteille et garde la partie supérieure avec le bouchon (comme sur la photo). On l'appellera bouteille entonnoir.
Dévisse le couvercle de la bouteille entonnoir et perce, à l’aide du clou et du marteau, un petit trou en son centre. Revisse le couvercle.
La première étape consiste à calibrer l'horloge à eau ou clepsydre. Pose, debout sur son fond la bouteille réceptacle, sur une surface plane. Cela doit être à la bonne hauteur, pratique pour pouvoir bien observer l'écoulement et marquer les graduations. Pose la bouteille entonnoir sur la partie ouverte de la bouteille réceptacle, avec le couvercle dirigé vers le bas.
Prépare de l’eau colorée dans un troisième récipient. Verse l’eau dans l’entonnoir. Tu dois marquer le niveau d’eau que tu as rempli avant que le liquide ne s’écoule par le trou.
L’eau s’écoule goutte à goutte dans la 2e bouteille.
On marque l'espacement toutes les 30 secondes
Lorsque le niveau atteint la partie cylindrique, fais une première marque avec le feutre et commence à chronométrer. Ensuite fais une marque sur la bouteille toutes les 30 secondes, comme sur l’image.
Ensuite vide l’eau de la bouteille réceptacle, tu peux la récupérer dans le récipient de départ.
Recommence l'opération, remplis l'entonnoir jusqu’à ta marque. Cette fois tu n'as plus besoin du chronomètre. L'eau s'écoule, elle atteint la marque du zéro, puis ensuite les autres marques qui correspondent à des intervalles de 30 secondes.
Tu peux ainsi mesurer le temps, par exemple 3 minutes pour faire cuire un œuf à la coque!
Ne remplis l’entonnoir qu'à moitié, reprends le chronomètre et observe le niveau de l'eau toutes les 30secones. Que remarques-tu?
Si tu vides une bouteille par un petit trou, tu verras que l'écoulement change, au début cela coule vite et ensuite plus lentement.
Si tu observes bien, tu remarqueras que les marques que tu as faites ne sont pas régulières, elles deviennent plus proches les unes des autres au fur et à mesure que la bouteille entonnoir se vide.
Lorsqu'on ne remplit l'entonnoir qu'à moitié, on voit que les 30 s d'écoulement ne correspondent pas aux marques que l'on a faites la première fois avec l'entonnoir plein. En effet on remarque qu'après 30 s, on n’a pas encore atteint la marque faite au premier passage de l'eau.
Pour que la mesure du temps avec la clepsydre soit régulière (l’espace entre les marques reste identique), l'eau doit s'écouler de façon régulière. Pour cela, les Grecs utilisaient trois récipients: la source de l'eau, l'entonnoir et le réceptacle.
On remplit le premier, l'eau s'écoule dans l'entonnoir qui est toujours plein à ras bord, le trop-plein déborde de l’entonnoir, ainsi le niveau de l'eau dans l'entonnoir reste constant - la différence de hauteur entre le trou et le niveau d'eau reste la même. Ainsi l'eau coule toujours régulièrement vers le réceptacle gradué.
La façon dont l'eau va s'écouler dépend bien sûr de la taille du trou, mais pas seulement.
Lorsque le récipient entonnoir se vide, sa forme joue aussi un rôle, l'écoulement sera différent selon que le récipient a une forme cylindrique (un tube), d'entonnoir (qui s'évase vers le haut), ou encore de bol arrondi.
L'effet principal est la pression sur le trou, ou comment l'eau appuie dessus. Plus il y aura d'eau au-dessus, plus la pression sur le trou sera forte. Donc la vitesse d'écoulement va changer fortement selon la hauteur de l'eau dans l'entonnoir. Au début, lorsque le récipient est plein, l'eau va couler vite et peu à peu la vitesse va diminuer.
Sur l'image ci-contre, la bouteille a été percée de 3 trous à des hauteurs différentes. On voit que l'eau s'écoule plus vite, (le jet d'eau est plus puissant) à partir du trou d'en bas. Celui-ci a beaucoup d'eau au-dessus, alors que le trou d'en haut est proche de la surface. Tu peux voir le film ici.
Texte et images: Rédaction SimplyScience.ch
