Le siphon - par Alain Hénault
Un siphon est un tuyau utilisé pour faire passer un liquide d'un endroit élevé vers un endroit moins élevé.
Le fait que le jet de liquide s'écoule « tout seul » une fois le siphon mis en place peut être « mystifiant ». Et pourtant, il suffit de peu pour expliquer tout ça : la gravité et la pression atmosphérique. En fait, après le premier cours de mécanique des fluides, on a déjà tous les outils nécessaires!
Dans ce premier cours,
- on définit la pression : c'est la force normale (par unité de surface) exercée par les « morceaux » de fluide les uns sur les autres. La pression atmosphérique est banalement la pression exercée par l'air de l'atmosphère sur ce qu'il touche (en fait c'est le résultat de milliards de collisions à la seconde…).
- on voit aussi que la pression dans un fluide au repos varie avec la hauteur. À la même hauteur, la pression est la même (sinon un morceau de fluide situé à cette hauteur bougerait horizontalement!). La pression est toutefois plus élevée en bas qu'en haut (il faut une force qui s'oppose à la gravité, sinon les morceaux de fluide tomberaient!).
La situation est (disons que cette journée-là P ATM = 100 kPa) :
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| Pressions absolues | Pressions relatives |
Maintenant :
A) Est-il possible que le fluide tienne en équilibre dans la situation suivante ?
Réponse : Certainement, mais il faut une sous-pression au point A !
L'homme (mal dessiné, il est vrai) a créé une sous-pression en enlevant l'air dans la paille. Si l'homme s'en va, la pression (relative) au point A retombe à 0. Le fluide dans la paille retombe dans le récipient sous l'effet de la gravité.
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B) Est-il possible que le fluide tienne en équilibre dans la situation suivante ?
Encore une fois : certainement! Il faut maintenant une surpression au point A. Cette surpression peut être fournie en bouchant le tuyau d'une façon ou d'une autre (avec le pouce, pourquoi pas?).
Si le bouchon est enlevé, ou n'est pas là, il ne peut y avoir équilibre et le fluide se met en écoulement!
On peut arriver à la situation de la figure ci-haut
- en aspirant l'air du tuyau
- en remplissant le tuyau et en l'amenant ensuite dans cette position
- en versant rapidement du fluide dans le récipient. C'est ce qui se produit quand vous tirez la chasse d'eau de votre cuvette (voir ci-bas) !
Lien vers une animation amusante
Lorsque la différence de pression ne peut plus équilibrer la force gravitationnelle (par unité de surface), le fluide bouge , et toute la "magie" du siphon est là!
Quand on retire le bouchon brusquement en A, la pression chute de +10 kPa à 0 kPa. L' « information » de cette baisse de pression se propage dans tout le tuyau extrêmement rapidement (à la vitesse du son dans le fluide). Le fluide situé au-dessus de A est en déséquilibre et tombe, le fluide juste au-dessus lui aussi en déséquilibre et tombe, etc…. Les morceaux de fluide à droite de B exercent moins de force qu'avant sur les morceaux de fluide à gauche (une autre façon de parler de la baisse de pression) et le fluide en B bouge vers la droite…
Bref :
- De C à B le fluide est poussé par la différence de pression, qui l'emporte sur la force gravitationnelle. Rappelons-nous que P=0 kPa signifie une pression réelle (absolue) de 100 kPa!!
- De B à A la force gravitationnelle l'emporte sur la différence de pression et entraîne le fluide vers le bas.
Note :
- la pression en B ne peut plus être calculée par PA+ rgh … Comme nous avons maintenant un fluide en mouvement, il faut utiliser l'équation de Bernouilli, ou mieux, l'équation de l'énergie (chapitres 5 et 6).