Couches de densité
Différents liquides se superposent car certains sont plus denses — plus de masse dans le même volume. L’eau salée peut faire flotter un œuf. Une goutte de balsamique tombe dans l’huile — puis l’huile qu’elle a entraînée remonte.
L'expérience
Les gouttes de balsamique étaient le vrai feu d’artifice. Deux secondes de magie quand l’œuf a commencé à remonter, puis il voulait encore du sel.
Ce qu'on a utilisé
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À FAIRE
Comment la mener
Œuf qui coule puis flotte ; miel sous l’eau sous l’huile ; gouttes de balsamique qui descendent et remontent.
Étapes
- 1
Préparer la scène
Deux à quatre verres sur le plateau.
- 2
L’œuf coule
Eau ordinaire. Descendre l’œuf. Il coule. Ne sautez pas cette étape — la flottaison ne veut rien dire sans ça.
- 3
L’œuf flotte
Deuxième verre : beaucoup de sel, remuer, déplacer l’œuf. Regarder la remontée, puis s’arrêter — facile d’en mettre trop.
- 4
Le miel va en bas
Ruban lent de miel dans l’eau, ou miel d’abord puis eau. Le miel se pose au fond.
- 5
L’huile reste en haut
Huile végétale sur l’eau. Elle reste dessus. Elles ne se mélangent pas.
- 6
Danse du balsamique
Faire goutter du balsamique sur l’huile. Les gouttes coulent. Puis des morceaux remontent. Le faire plus d’une fois.
Accrochez-vous
Mécanisme
La densité est la masse par volume : combien de « chose » est tassée dans le même espace. Une cuillère de miel a plus de masse qu’une cuillère d’huile, donc le miel se place plus bas si les deux ne se mélangent pas.
« Lourd » sans « pour sa taille » est l’erreur que ce samedi existe pour tuer. Un bouchon est léger pour sa taille et flotte. Une petite pièce peut couler. Le même œuf fait les deux, selon le liquide autour. Note sur les flèches d’abord : les flèches orange pleines sont des forces (poussées et tiraillements). Les pointillées montrent dans quelle direction quelque chose se déplace.
Panneau 1, « Œuf : coule, puis flotte ». À gauche le verre d’eau avec l’œuf au fond, et une cuillère qui verse du sel (« ajouter du sel, remuer » ; la courbe en tirets est le remuage). La fenêtre à droite est coupée en deux : « eau du robinet » à gauche, « eau salée » à droite. Le même œuf dans les deux.
Dans l’eau du robinet l’œuf est au fond. Dans l’eau salée il flotte en haut, avec seulement un petit chapeau au-dessus de la surface. La majeure partie reste en dessous.
Les encadrés en tirets, « forces sur l’œuf », montrent pourquoi. Deux forces agissent sur l’œuf. Le poids le tire vers le bas. L’eau le pousse vers le haut : cette poussée est la poussée d’Archimède, et elle égale le poids de l’eau que l’œuf déplace.
Dans l’encadré eau du robinet, regardez les longueurs de flèches. La poussée vers le haut est presque aussi longue que le poids, mais pas tout à fait. Un œuf de poule typique est un peu plus dense que l’eau du robinet. L’eau soutient la majeure partie de l’œuf (environ 92–97 % de son poids), et le fond du verre porte le petit reste. C’est la toute petite flèche « + fond », qui part où l’œuf touche le verre. C’est aussi pourquoi un peu de sel suffit à le faire basculer.
Le sel ajoute beaucoup de masse mais peu de volume en plus. Le sel dissous se glisse entre les molécules d’eau. Chaque cuillère d’eau devient plus lourde : plus dense. Dans l’encadré eau salée, les deux flèches ont la même longueur (« égal »). Poussée vers le haut = poids, et l’œuf flotte. Vous avez changé l’eau, pas l’œuf.
Panneau 2, « Plus dense va plus bas ». À gauche le verre en couches : « miel » en bas, « eau » au milieu, « huile » en haut, avec des lignes nettes entre elles. À droite une échelle de densité en g/mL, plus dense vers le bas (« plus dense »), alignée avec le verre.
Lisez de haut en bas : huile ~0,91–0,93, eau 1,00, œuf ~1,03–1,09, eau salée jusqu’à ~1,2, balsamique 1,1–1,3 (selon la bouteille), miel ~1,4. Ce qui est plus bas sur l’échelle se place plus bas dans le verre.
L’échelle montre aussi le panneau 1. La barre œuf est juste sous l’eau, donc l’œuf coule dans l’eau du robinet. La barre eau salée dépasse l’œuf, donc assez de sel le fait flotter.
Miel, eau et huile diffèrent aussi sur le mélange. Huile et eau restent en couches séparées ; elles sont immiscibles. Cette ligne nette n’est pas l’huile qui a « peur », et ce ne sont pas les molécules d’huile qui snobent l’eau. Les molécules d’eau s’accrochent fort entre elles. Les molécules d’huile ne peuvent pas s’y joindre, donc l’eau les repousse dans leur propre couche.
Miel et eau se mélangent si on remue. Versé lentement, le miel peut rester en dessous un moment car il est plus dense et visqueux (il coule lentement). La légende du panneau 2 le dit : épais (visqueux) est une chose différente, et le miel est les deux. Le miel coule car il est plus tassé que l’eau. Il coule lentement car il est épais. Ce sont des rôles différents.
Panneau 3, « Le balsamique descend ; l’huile remonte ». C’est le tour honnête. À gauche, une cuillère fait goutter des « gouttes de balsamique » dans l’huile. La loupe est sur la ligne huile-eau. La fenêtre à droite est cette ligne, en trois étapes numérotées 1 à 3. La frontière est à la même hauteur dans les trois.
Étape 1, « goutte de balsamique » : la goutte sombre coule dans l’huile jaune (flèche en tirets vers le bas). Le balsamique est surtout eau, sucre et acide, et plus dense que l’huile, donc il tombe. La flèche en tirets montre le mouvement, pas une force. Il tombe à vitesse régulière, freiné par la traînée de l’huile.
Étape 2, « fin film d’huile » : la goutte atteint l’eau et la pousse dedans, faisant un creux. Elle ne rejoint pas l’eau tout de suite. Un fin film d’huile est piégé entre la goutte et l’eau, et ce film doit s’écouler ou se rompre d’abord. Certaines gouttes attendent là à la frontière pendant l’écoulement. (C’est très probablement ce que faisaient chez nous les gouttes moitié vinaigre, moitié huile, coincées à la ligne du milieu.)
Étape 3, « huile libérée remonte » : le film s’est rompu. Le vinaigre se mélange dans l’eau ; ce sont les volutes sombres. Le peu d’huile entraîné avec la goutte (l’huile qui tapissait le creux) est libéré. Elle est moins dense que l’eau, donc elle remonte vers la couche d’huile (flèche en tirets vers le haut). C’est la descente-remontée. La goutte qui est tombée était du balsamique. Ce qui remonte est l’huile. Pas magique. Décrochage.
Chiffres
L’eau du robinet est environ 1,00 g/mL. L’huile végétale environ 0,91–0,93. Un œuf de poule est souvent environ 1,03–1,09. Le balsamique environ 1,1–1,3 selon la bouteille. Le miel autour de 1,4. Une eau bien salée peut dépasser l’œuf ; si vous en mettez vraiment beaucoup, on peut approcher ~1,2. Pour faire flotter un œuf frais, comptez environ 2–3 cuillères à soupe de sel de table par tasse d’eau (environ 11–13 % de sel en poids), remué jusqu’à dissolution. Si vous ne remuez pas, le sel se dépose au fond et l’œuf peut rester au milieu.
Essayez : quels liquides se superposent, lesquels se mélangent ?
Choisissez l'ordre pour verser miel, eau, huile et gouttes de vinaigre balsamique, puis remuez, et voyez quels liquides se superposent et lesquels se mélangent.
Notes de la maison
Mon enfant voulait juste diriger le sel et en ajouter — ce qu’il a fait, et on en a mis beaucoup trop. L’astuce était de regarder l’œuf commencer à remonter et ensuite s’arrêter. « Regarde l’œuf !! Woaaah » — c’étaient mes deux secondes de magie. Puis il voulait encore du sel. On est passés à l’huile après. Les gouttes de balsamique dans l’huile + eau + miel étaient le vrai feu d’artifice. Surtout certaines gouttes moitié vinaigre, moitié huile, coincées au milieu, immobiles ou très lentes — on les encourageait. Puis il a ajouté de plus en plus de balsamique jusqu’à ce que je décide : si je voulais de la vinaigrette pour ma salade, il fallait s’arrêter. On a fait de la vinaigrette, et c’était fini.