Le retour du pop-pop

L
Le e r re et to ou ur r d du u
P
Po op p- -P Po op p
Thibaut Besacier
Morgan Fouillat
Vincent Joyet
[email protected]
Lycée René Cassin
75, route de Saint-Clément
69173 Tarare
C
Co on nc co ou ur rs s
C
C. .G Gé én ni ia al l 2 20 01 10 0

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©Thibaut Besacier, Morgan Fouillat, Vincent Joyet – p[email protected]
Présentation ................................................................................................................................................. Page -2-
Résumé du projet ......................................................................................................................................... Page -3-
I/ Observation : expérience préliminaire ......................................................................................................Page -4-
II/ Modélisation ............................................................................................................................................ Page -5-
1. Explication du phénomène ........................................................................................................ Page -5-
a- Les différentes phases ..................................................................................................................... Page -5-
b- Explication de la propulsion .............................................................................................................Page -6-
c- Expérience de la canette ...................................................................................................................Page -9-
2. Simulation informatique ...........................................................................................................Page -10-
3. Mise en équation d’un modèle simplifié................................................................................... Page-13-
III/ Application ............................................................................................................................................ Page -15-
IV/ Optimisation ......................................................................................................................................... Page -17-
1. Mesure et calcul du pouvoir calorifique de l’éthanol ...............................................................Page -17-
a- Valeur théorique .............................................................................................................................Page -17-
b- Valeur expérimentale .....................................................................................................................Page -18-
c- Analyse des résultats ......................................................................................................................Page -19-
2. Mesure de la vitesse du bateau ................................................................................................Page -19-
3. Mesure de la force de poussée du bateau ................................................................................Page -21-
4. Rendement du moteur ..............................................................................................................Page -22-
5. Fréquence du moteur ...............................................................................................................Page -23-
a- Mesure de la fréquence ................................................................................................................. Page -23-
b- Confrontation des résultats avec la simulation et le modèle simplifié ..........................................Page -24-
V/ Conclusion ............................................................................................................................................. Page -24-
VI/ Glossaire ............................................................................................................................................... Page -25-
VII/ Remerciements ....................................................................................................................................Page -25-
 Présentation
- Etablissement : Lycée René Cassin, à Tarare (69)
- Elèves du groupe : Thibaut BESACIER, Morgan FOUILLAT, Vincent JOYET, élèves en terminale
scientifique, option sciences de l’ingénieur
- Professeur coordinateur : Mustapha ERRAMI
- Professeur collaborateur : Fabien BRUNO
- Partenaires : Rectorat de l’académie de Lyon
Conseil Régional de Rhône-Alpes
Université Claude Bernard de Lyon, M. Roger DUFFAIT
ENS de Lyon, M. Ludovic JAUBERT
Ecole Centrale de Lyon, M. Florent JOYET
Sommaire
M. Fabien BRUNO Thibaut BESACIER Morgan FOUILLAT Vincent JOYET M. Mustapha ERRAMI

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 Résumé du projet
Non… Ce n’est pas un voyage en musique que l’on vous propose, mais en bateau !
Il y a quelques mois, le grand-père d’un des membres du groupe découvre dans une vieille malle
un de ses jouets d’antan : un bateau de fer blanc émettant un bruit singulier lors de son
fonctionnement. Intrigués par le mode de propulsion utilisé, nous décidons de nous intéresser de
plus près à cet étrange mécanisme.
Immédiatement, nous identifions la technologie qu’il convient d’appeler « pop-pop » en référence
au son émis, rappelant celui d’un moteur diesel marin. Il semblerait que ce système complexe repose
sur des cycles de vaporisation-condensation de l’eau, et qu’il permette de propulser un bateau avec
une simple source de chaleur, qui peut utiliser une énergie renouvelable (bioéthanol par exemple),
sans aucune pièce mécanique en mouvement.
Nous avons alors défini la problématique qui nous a guidés tout au long du projet :
« Sur quels phénomènes physiques repose le fonctionnement d’un tel moteur, et quelles
peuvent être ses applications pratiques ? »
Notre projet a alors consisté en plusieurs phases. Tout d’abord, il nous est apparu essentiel de
comprendre les phénomènes physiques mis en jeu. Pour ce faire, nous avons imaginé une expérience
nous permettant de visualiser le phénomène grâce à des tubes transparents. Dans la foulée, et dans
l’optique de faciliter l’explication du phénomène à nos différents interlocuteurs que nous sommes
amenés à rencontrer au cours du projet, nous avons décidé de simuler informatiquement le
phénomène. Ensuite, nous avons mis en pratique nos observations et avons réalisé notre propre
moteur pop-pop, que nous avons installé sur un bateau dont nous avons réalisé le téléguidage. Enfin,
l’ultime phase du projet, a consisté à étudier l’influence de différents paramètres du moteur grâce à
plusieurs mesures, et les applications possibles d’une telle technologie.
Soulignons pour finir que nous nous sommes attachés à respecter une démarche scientifique
rigoureuse et que nous avons délibérément accordé une place importante à l’expérimentation dans
notre approche des phénomènes mis en jeu. En effet, il semblerait prétentieux de prétendre à un
développement théorique complet sur la question, dans la mesure où les connaissances nécessaires
en thermodynamique notamment ne nous sont pas enseignées au lycée. Ainsi, nous avons préféré
valider certaines suppositions par l’expérience plutôt que par la théorie dans le cas où les pré-requis
nécessaires étaient hors de notre portée.
Bateau jouet propulsé par un moteur pop-pop

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 I/ Observation
Expérience préliminaire
Dans un premier temps, il nous est apparu essentiel de comprendre les phénomènes physiques mis en jeu,
car le fonctionnement de l’engin nous paraissait mystérieux au premier abord. Pour cela, nous avons imaginé
une simple expérience recréant le phénomène. Nous avons utilisé un tube à essai que nous avons coupé afin
d’obtenir une longueur d’environ 5 cm, puis avons obstrué sa sortie avec un bouchon dans lequel nous avons
inséré un tuyau de 4 mm. Une fois ce montage rempli d’eau, et l’extrémité du petit tuyau plongée dans de
l’eau, nous l’avons chauffé. Précisons que l’ensemble des supports et des matériels nécessaires pour cette
expérience a été confectionné par nos soins.
Dispositif expérimental :
Voici le déroulement de l’expérience :
Début du chauffage
Quelques minutes après que nous ayons
allumé la bougie, nous avons observé la
vaporisation d’une partie de l’eau
contenue dans le tube (à savoir sous la
bougie, donc en haut du tube à essais)…
… puis un mouvement d’eau continu se
produit dans le tube en verre de 4 mm
(un aller et retour sur environ 2 ou 3
cm). Le phénomène a duré jusqu'à ce
qu’il n’y ait plus de bioéthanol dans le
brûleur.
support du brûleur
support
tuyau (ø 4mm)
tube à essai découpé
bioéthanol
brûleur
bouchon

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Nous avons ainsi pu observer deux phases, vaporisation puis liquéfaction, créant des allers et retours d’eau,
déjà présents sur le bateau jouet, lui permettant d’avancer. Nous allons revenir plus en détail sur ces points
dans la partie suivante, mais retenons simplement que cette expérience astucieuse nous a permis de nous
familiariser avec ce phénomène, qui est à première vue très surprenant.
 II/ Modélisation
1. Explication du phénomène
a- Les différentes phases
Grâce à nos observations effectuées lors de l’expérience décrite dans la première partie, nous avons pu
décomposer le phénomène pop-pop en plusieurs phases qui, en réalité, se succèdent très rapidement, formant
ainsi un cycle continu et ininterrompu.
La production de vapeur saturée est désormais stoppée.
Cependant, il y a formation d’une autre vapeur appelée
vapeur surchauffée, produite, comme son nom l’indique
lorsque l’on surchauffe de la vapeur saturée. Ainsi suivant
l’équation des gaz parfaits (PV=nRT), étant donné que la
température du gaz augmente, son volume augmente
aussi, ce qui explique que l’eau progresse toujours vers le
bas du tube. Puis le phénomène arrive à un état d’équilibre
pendant lequel l’expansion de la vapeur est stoppée,
stabilisant ainsi la progression de l’eau.
Le tube à essai est rempli d’eau en
totalité et l’extrémité du petit tube en
verre est plongée dans l’eau. Une
source de chaleur est placée sous la
partie supérieure du tube à essais.
Après plusieurs secondes de chauffage (environ 30 secondes),
la température de l’eau présente dans la partie supérieure du
tube augmente jusqu’à ce qu’elle parvienne à sa température
de vaporisation. Ainsi, une partie de l’eau se vaporise et de la
vapeur dite saturée se forme. Il s’agit d’un mélange de gaz et
de microgouttelettes d’eau liquide. La vapeur formée repousse
l'eau vers le bas du tube car, à la pression atmosphérique et à
100°C, la masse volumique de l’eau est de 958kg/m3, tandis
que celle de la vapeur est de 0,59kg/m3. Une goutte d’eau
liquide qui se vaporise occupe donc environ 1623 fois plus de
place à l’état gazeux (ce mouvement d’eau est symbolisé par
les flèches bleues sur le schéma).