Jeunes (13-25 ans),Familles,Enseignants,MédiateursMathématiques - physique - chimie

Pour quelle raison le liquide d’une boisson fraîche monte-t-il dans une paille lorsque l’on aspire dedans ? Parmi les réponses récurrentes, certains pensent que le liquide monte pour combler le vide dans la paille créé par aspiration : la fameuse expression « la nature a horreur du vide » ! Qu’en est-il réellement ?
Par Hassan Khlifi, responsable adjoint, unité physique du Palais de la découverte

(Reprise de Découverte n° 422, mai-juin 2019, p. 68-69)

MATÉRIEL NÉCESSAIRE :
  • une bouteille en verre avec un goulot assez large
  • un billet de banque (20 euros idéalement)
  • une pièce de monnaie (1 euro idéalement)

Difficulté de l'expérience : 2 / 5
Niveau scientifique requis : 3 / 5
(à partir du lycée)

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Expérience

Remplissez un ballon (ou une bouteille d’eau) à ras bord, bouchez-le avec le pouce et retournez-le dans un aquarium, un saladier ou une bassine rempli(e) d’eau. Pour une bonne visibilité de l’expérience, vous pouvez utiliser de l’eau préalablement colorée avec un peu de sirop par exemple. Enlevez votre pouce pour laisser couler le liquide du ballon dans le récipient. Vous serez peut-être surpris de constater que le ballon ne se vide pas ; aucune goutte d’eau ne peut s’en échapper (fig. 1). Sortez doucement le goulot du ballon du récipient : vous verrez l’eau s’écouler normalement, comme vous vous y attendiez (fig. 2). Si vous plongez à nouveau le goulot dans le récipient, l’écoulement cesse immédiatement. Vous pouvez continuer à ressortir et replonger le goulot autant de fois que vous le souhaitez, le phénomène se manifeste à tous les niveaux d’eau du ballon, jusqu’à ce qu’il se vide complètement de son liquide (fig. 3).

Figure 1. Lorsque le ballon est sorti de l’aquarium, l’eau ne coule pas tant que le goulot est plongé dedans. © L. Buffy.

Figure 2. L’eau coule naturellement quand le goulot est sorti de l’aquarium, comme nous pouvons nous y attendre. © L. Buffy.

Figure 3. L’eau cesse de couler dès que le goulot est replongé dans l’aquarium, et ce, jusqu’à ce qu’il ne reste plus d’eau dans le ballon. © L. Buffy.

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L’énigme des pompes aspirantes

Parmi les applications des pompes aspirantes se trouve le pompage des eaux de puits. À l’époque de Galilée (1564-1642), des fontainiers italiens découvrirent avec étonnement qu’ils ne parvenaient plus à pomper l’eau, pour arroser les jardins des palais de Florence, si elle était située à une profondeur supérieure à 10 mètres environ (fig. 4). La théorie, datant de l’Antiquité et reprise par Galilée pour expliquer pourquoi l’eau est aspirée par une pompe aspirante par exemple – la célèbre formule « la nature a horreur du vide » –, en prit un sacré coup ! Galilée lui-même n’a pas su expliquer cette énigme ; il est mort sans en connaître la véritable raison. Il paraît qu’interrogé sur le sujet, il aurait répondu que la nature a peut-être horreur du vide, mais jusqu’à un certain point !

Figure 4. Malgré tous les efforts déployés par les fontainiers de Florence, l’eau n’arrive pas à monter à plus de 10,33 mètres dans les pompes aspirantes.
Les merveilles de la science / L. Figuier, 1867. © Internet Archive / Getty Research Institute.

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L’explication est dans l’air…

Sur Terre, nous vivons tels des poissons dans un océan d’air. Cet air remplit tous nos espaces de vie et influence nos gestes quotidiens. Aspirer dans une paille pour déguster notre boisson préférée, c’est faire appel à un déséquilibre de pression entre l’intérieur et l’extérieur de la paille. Par aspiration telle une pompe, l’air à l’intérieur de la paille est chassé, créant ainsi une dépression. La pression qui règne à l’intérieur d’une canette par exemple – la pression atmosphérique – écrase le liquide incompressible qui n’a plus d’échappatoire autre que l’intérieur de la paille. Il s’y engouffre et monte jusqu’à notre bouche.
De même, dans l’expérience où le ballon plein et bouché est retourné dans l’eau, c’est la pression atmosphérique s’exerçant sur l’eau de l’aquarium qui plaque l’eau et l’empêche de couler, mais ce, jusqu’à une certaine limite. En effet, si la hauteur d’une colonne d’eau est à peu près de 10,33 mètres, la pression résultant de cette dernière compense celle de l’air qui n’est plus en mesure de pousser plus haut.
La pression qui s’exerce sur nous par le biais des dizaines de kilomètres d’air de notre atmosphère, la pression atmosphérique (1 kilogramme par centimètre carré), est équilibrée par à peine plus d’une dizaine de mètres d’eau. C’est-à-dire qu’une colonne d’eau de cette hauteur appuie autant que des dizaines de kilomètres d’air (à peu près 75 kilomètres) sur la même surface horizontale. Il s’agit d’un baromètre à eau. Si l’eau était remplacée par du mercure, 13,6 fois plus dense, la colonne serait 13,6 fois plus courte et ne mesurerait que 76 centimètres. Le millimètre de mercure (Hg) est une unité de la pression : le vieil et néanmoins efficace baromètre à mercure. La pression atmosphérique vaut donc 760 millimètres de mercure.

Horreur du vide… ?

L’espace « vide » au-dessus de la colonne d’eau ne l’est pas vraiment ; il contient de la vapeur d’eau. De même, au-dessus de la colonne du mercure, il y a de la vapeur de mercure, bien qu’en très petite quantité, donc ce n’est pas du vide. Galilée, comme ses prédécesseurs, n’avait pas complètement tort… Certes les liquides ne montent pas, mais leurs vapeurs sont là pour les représenter. Peut-être effectivement que « la nature a réellement horreur du vide ». À méditer ! H. K.