Le retour du pop-pop - Olympiades de Physique France

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Le e r re et to ou ur r d du u
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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
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Ph hy ys si iq qu ue e 2 20 01 10 0

Le retour du pop-pop
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©Thibaut Besacier, Morgan Fouillat, Vincent Joyet – [email protected]
Sommaire
Présentation ................................................................................................................................ Page -3-
Résumé du projet ........................................................................................................................ Page -4-
I/ Observation ............................................................................................................................... Page -5-
1. Historique................................................................................................................... Page -5-
2. Expérience préliminaire ............................................................................................. Page -6-
II/ Modélisation ........................................................................................................................... Page -8-
1. Explication du phénomène ......................................................................................... Page -8-
a- Les différentes phases ..................................................................................................... Page -8-
b- Explication de la propulsion ........................................................................................... Page -10-
c- Expérience de la canette ................................................................................................. Page -15-
2. Simulation informatique ............................................................................................ Page -17-
3. Mise en équation d’un modèle simplifié .................................................................... Page-21-
III/ Application ........................................................................................................................... Page -24-
IV/ Optimisation ........................................................................................................................ Page -27-
1. Mesure et calcul du pouvoir calorifique de l’éthanol ............................................... Page -27-
a- Valeur théorique ............................................................................................................. Page -27-
b- Valeur expérimentale ..................................................................................................... Page -28-
c- Analyse des résultats ...................................................................................................... Page -30-
2. Mesure de la vitesse du bateau ................................................................................. Page -31-
3. Mesure de la force de poussée du bateau ................................................................ Page -33-
4. Rendement du moteur .............................................................................................. Page -36-
5. Fréquence du moteur ................................................................................................ Page -37-
a- Mesure de la fréquence ................................................................................................. Page -37-
b- Paramètres influant sur la fréquence ............................................................................. Page -38-
c- Confrontation des résultats avec la simulation et le modèle simplifié .......................... Page -39-
V/ Conclusion ............................................................................................................................ Page -40-
VI/ Glossaire .............................................................................................................................. Page -41-
VII/ Remerciements .................................................................................................................... Page -41-
Annexe n°1 : Thermocouple ....................................................................................................... Page -42-
Annexe n°2 : Programme ........................................................................................................... Page -45-
Annexe n°3 : Forum .................................................................................................................... Page -50-

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 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
De gauche à droite : M. Fabien BRUNO, Thibaut BESACIER, Morgan FOUILLAT, Vincent JOYET et 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/ Observations
1. Historique
100 ans avant J.-C., Héron d'Alexandrie (mathématicien grec) conçut une sphère remplie d'eau qui
était munie de 2 tubes coudés sortant de manière opposée, et cette sphère tournait sur un axe au-
dessus d'un feu à cause de la sortie de vapeur. Cette trouvaille, dénommée l’éolipyle devait
ressembler à cela :
Le fonctionnement du moteur pop-pop repose en fait sur le même principe, à ceci près que
l’échappement intervient dans l’eau.
En 1891, l’Anglais Désiré Thomas Piot déposa une demande de brevet portant sur des
générateurs de vapeur, déclarant lors de sa demande : « mon invention est spécialement utile dans le
cas de bateaux jouets où la propulsion est produite par l’action directe de la vapeur d’eau ». Son
brevet fut alors exploité jusque vers les années 1920 par divers constructeurs de jouets en Grande-
Bretagne, aux USA et en Allemagne. Cependant il ne s’agit pas là du véritable moteur pop-pop, car le
système imaginé par Piot était silencieux. Son moteur était constitué d’un serpentin contenant de
l’eau, chauffée par une source de chaleur. Les deux extrémités du serpentin sortaient à l’arrière du
bateau sous la ligne de flottaison.
En 1924, l’Américain C. J. Mc Hugh apporta une modification au procédé de Piot : il ajouta une
membrane sur le moteur, vibrant grâce à des différences de pression, ce qui permettait de recréer le
bruit de moteur marin. Désormais, tous les bateaux jouets utilisant ce système de propulsion étaient
du type Piot-Mc Hugh et faisaient du bruit, le moteur « pop-pop » était né !
Alors qu’ils ont peu à peu disparu en Europe, les moteurs pop-pop connaissent un grand succès
en Inde, Chine, Japon, Indonésie, et Pakistan où ils font encore aujourd’hui l’objet de production en
grande série. Remarquons de plus que de tels engins suscitent toujours l’intérêt : en effet, le
réalisateur japonais Hayao Miyazaki accorde une place importante au moteur pop-pop dans son film
Ponyo sur la falaise, sorti en 2009.
Éolipyle