Expérience "helium"
Introduction
On peut réaliser des expériences de physique-chimie amusante avec des gaz qui sont plus légers ou plus lourd que l'air.Le plus classique est l'hélium mais on verra d'autres gaz.
Voix plus aigues ou plus graves
Vous avez sûrement déjà vu à la télévision des animateurs s'amuser à modifier le timbre de sa voix en inspirant de l'hélium. ATTENTION : je vous conseille cependant de ne pas tenter cette expérience chez vous (je ne l'ai pas fait, moi-même). Il y a un gros risque d'asphyxie !
La vidéo ci-dessous va vous montrer la comparaison entre trois gaz : le premier est l'air (quand nous parlons tous les jours), le deuxième est de l'hélium et le troisième de l'hexafluorure de soufre, un gaz très lourd car 5 fois plus dense que l'air.
Pour comprendre, il vous faut juste réaliser deux secondes qu'à chaque fois que vous faîtes entendre votre voix, les ondes sonores émises par vos cordes vocales ont besoin d'un milieu de propagation : pour nous, c'est l'air.
Si vous avez déjà mis la tête sous l'eau dans la mer ou l'océan, vous avez remarqué comme les sons émis (par des bateaux par exemple) étaient différents en tonalité et intensité.Prenons le cas d'une peau de tambour :
la main frappe la surface et la peau se met à osciller de bas en haut. Si l'on décompose le mouvement, on voit que dans un premier temps, la peau se dirige vers le haut et poussent ainsi les molécules d'air contre leurs voisines. Les molécules de gaz sont donc comprimées les unes contre les autres et cette couche de molécules comprimées va se propager un peu comme lorsqu'on frappe des boules de billard ou comme pour le pendule de Newton.
Ensuite, la peau de tambour se dirige vers le bas puis le haut à nouveau : une nouvelle compression se forme. Ces séries de compressions en déplacement sont l'onde sonore. La distance entre chaque couche de compression est nommée la longueur d'onde.
Tous les échantillons d'un gaz ont le même nombre de molécules par unité de volume pour des conditions de temperature et de pression données ; que cela soit pour de l'hélium ou de l'azote (rappelons que l'azote constitue environ 70 % de l'air que nous respirons).
Tous les échantillons d'un gaz ont le même nombre de molécules par unité de volume pour des conditions de temperature et de pression données ; que cela soit pour de l'hélium ou de l'azote (rappelons que l'azote constitue environ 70 % de l'air que nous respirons).
Seulement, la GROSSE différence, c'est que toutes les molécules des différents gaz n'ont pas la même masse ! Ainsi, l'azote (et a fortiori l'air) a une masse environ bien plus importante que celle de l'hélium : environ 7 fois plus. A 20 °C, le son va donc se déplacer à 927 mètres par seconde contre 344 m/s pour l'air (la vitesse du son, le fameux Mach 1 en aéronautique).
Comme pour la vibration d'une peau de tambour, la fréquence de vibration des cordes vocales est complètement indépendante du gaz dans lequel elles baignent. Alors que la vitesse de ondes sonores est plus rapide dans l'hélium (et la longueur d'onde plus grande), la fréquence de vibrations reste, elle, inchangée car, on vient de le dire, elle n'est déterminée que par les cordes vocales elles-même.
Par conséquent, le timbre du son change lorsque les cordes vocales sont plongées dans l'hélium. Si vous écoutez bien, vous entendez que la voix ne devient pas stridente mais ressemble à celle de Donald Duck. C'est donc la densité moindre de l'hélium (le médium de propagation du son si vous en aspirez) qui permet aux cordes vocales de produire cette qualité de voix différente.
Par conséquent, le timbre du son change lorsque les cordes vocales sont plongées dans l'hélium. Si vous écoutez bien, vous entendez que la voix ne devient pas stridente mais ressemble à celle de Donald Duck. C'est donc la densité moindre de l'hélium (le médium de propagation du son si vous en aspirez) qui permet aux cordes vocales de produire cette qualité de voix différente.
On peut ainsi faire l'expérience inverse avec un gaz plus lourd que l'air : l'hexafluorure de soufre qui est utilisé dans la vidéo précédente pour donner une voix plus grave. C'est ce qui est montré sur la première vidéo et qui est si "cool" 
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La vidéo ci-contre vous montre quelque chose apparemment étonnant mais qui s'explique facilement (poussée d'Archimède) quand on sait que ce gaz est bien plus dense que l'air (5 fois plus).
Cris sur Mars
Tout dépend donc du milieu de propagation des ondes. Prenez la planète Mars par exemple. Puisque l'atmosphère de cette planète est très ténue et la pression faible, les sons n'ont pas du tout "la même tronche" que sur Terre.
Vous pouvez entendre différents sons aux liens suivants : toux sur Terre et Mars et et différents sons.
D'après ce récent article, les sons sur Mars devraient être de courte portée (une quinzaine de mètres !) et de tonalité plus basse que sur Terre.
La cause est la différence dans la valeur de la vitesse du son entre l'atmosphère terrienne et martienne.
La planète rouge possède une atmosphère principalement constituée de dioxyde de carbone. Ce gaz est plus lourd que l'azote ou l'oxygène de notre air.
Un petit tour en voiture avec un ballon d'hélium
Le matériel est très simple encore une fois.
-1 ballon gonflé à l'hélium
-Une voiture est son conducteur
Si tout le monde est d'accord pour dire que tous les objets vont avoir envie de rejoindre le devant de la voiture, dites leur de regarder le mouvement du ballon Dingue ! Il fait exactement le contraire des autres objets. Quand on freine, il part vers l'arrière et inversement, lorsqu'on accélère, il se dirige vers l'avant ?
"L'hélium défierait-il les lois de la physique ? Serait-il un gaz oublié des physiciens qui doivent revoir leur copie ?"
Il suffit de réfléchir deux secondes pour imaginer la solution du problème.
Rappel : l'hélium est plus léger que l'air (sinon, vous n'auriez pas acheté ce ballon ridicule).
Or, vous étiez d'accord pour dire que tout ce qui était dans l'habitacle voulait aller vers l'avant par inertie.
"Même l'air de l'habitacle va vers l'avant en cas de freinage alors ?"
Effectivement ! Comme l'hélium est moins dense que l'air de l'habitacle, lorsque l'air se précipite et se compresse vers le pare-brise, l'hélium va aussi vers le pare-brise mais la compression rapide de l'air le contrarie dans son mouvement.
Relativement à l'air ambiant, il a tendance à "monter" sur un plan latéral.
Effectivement ! Comme l'hélium est moins dense que l'air de l'habitacle, lorsque l'air se précipite et se compresse vers le pare-brise, l'hélium va aussi vers le pare-brise mais la compression rapide de l'air le contrarie dans son mouvement.
Relativement à l'air ambiant, il a tendance à "monter" sur un plan latéral.
"C'est-à-dire ?"
On veut dire que dans le gradient de pression latéral de l'air, l hélium "remonte" le courant.
C'est pour cette raison que relativement aux yeux du conducteur et dans l'habitacle ou l'air domine, le ballon va vers l'arrière lors du freinage.
C'est pour cette raison que relativement aux yeux du conducteur et dans l'habitacle ou l'air domine, le ballon va vers l'arrière lors du freinage.
Complément
Il existe d'autres petites expériences à réaliser dans le même esprit.
Tout d'abord, vous savez que si vous lâchez votre ballon d'hélium dans votre maison, il va se plaquer au plafond.
Il existe cependant un moyen de le faire flotter à mi-hauteur, comme une bouée. Il suffit de mettre du poids en bas du ballon afin que la force d'Archimède soit compensée par ce poids (+ poids de l'enveloppe du ballon + poids de l'hélium).
Cela va être un chouilla délicat car il faudra ajuster avec des petits bouts de papier ou de scotch en fin de compte mais c'est tout à fait possible. Vous remarquerez alors que le ballon va se balader au gré des minuscules courants d'air présents dans la maison.
Vous pouvez aussi prendre un sèche-cheveux et chauffer le ballon : on vous conseille un ballon en mylar pas surgonflé dans ce cas. En chauffant le ballon, vous dilatez le gaz à l'intérieur et le ballon va rompre son équilibre et remonter.
"Un autre exemple, que devient la flamme d'une bougie lorsqu'on met cette dernière dans un récipient clos (avant qu'elle ne consume tout l'air) et qu'on laisse tomber le tout d'une main à l'autre ?"
Réponse : La flamme s'éteint en raison de la compression subite de l'air contenu dans le récipient lorsqu'on le récupère de l'autre main.
"Comment se comporte une flamme dans un récipient fermé et placé sur un plateau tournant ?"
Réponse : La flamme va sembler 'défier' l'effet centrifuge et pointer vers l'axe du plateau.
La dernière vidéo (ici) a été prise dans un réstaurant. Des ballons d'hélium se baladent seuls "au gré des vents". Or, ces ballons subissent un échauffement lors de leur présentation devant la baie vitrée, puis sont repoussés ET refroidis par la climatisation. Un cycle s'installe.
L'hélium est après l'hydrogène le deuxième élément le plus abondant de l'Univers.
C'est en effet le résultat de la fusion nucléaire de l'hydrogène dans les étoiles (dont notre soleil).
C'est en effet le résultat de la fusion nucléaire de l'hydrogène dans les étoiles (dont notre soleil).
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