La physique et les oeufs Kinder

La plupart des gens connaissent les fameux oeufs en chocolat Kinder Surprise. Ces oeufs creux contiennent une surprise, qui est un petit jouet caché dans une boîte plastique en forme d’oeuf. Mais rares sont ceux qui savent qu’on peut faire des expériences de physique simple avec ces boîtes une fois vides.

Les expériences présentées ici sont faciles à exécuter, et ne demandent que peu de materiel. Mais leur résultat n’est pas toujours facile à expliquer. Elles peuvent être utilisées par le maître pour des démonstrations ou par les étudiants dans des activités pratiques. Elles conviennent à des enfants dont l’âge peut varier de 7 à 16 ans.

Un jouet qui se dresse tout seul

La forme particulière de l’oeuf plastique permet de créer un jouet très connu des enfants, la poupée qui se dresse toute seule.

Matériel

• Un container plastique d’un oeuf Kinder
• De la plasticine ou une argile moulable
• Un petit objet lourd (écrou de métal ou petit aimant)
• Optionnel : des crayons ou des feutres pour décorer l’oeuf

Mode opératoire

1. Fixer l’objet lourd au fond de l’oeuf plastique avec de la plasticine.
2. Fermer l’oeuf.
3. Décorer l’oeuf si nécessaire.

Poser l’oeuf à plat sur une table. Il se redresse tout seul, car son centre de gravité est abaissé par l’adjonction de l’objet lourd.

Démonstration de flottaison

On va démontrer ici la relation entre la masse volumique et le maintien en flottaison.

Matériel nécessaire

• 3 oeufs plastiques tirés des Kinder Surprise
• Un grand baquet plein d’eau
• De l’eau salée à 3% en poids de NaCl

Mode opératoire

1. Remplir un oeuf plastique d’eau pure en immergeant l’oeuf ouvert dans l’eau et en le fermant sous l’eau.
2. Remplir un autre oeuf d’eau salée.
3. Laisser le 3ème oeuf vide, donc plein d’air.
4. Mettre les trois oeufs dans le baquet plein d’eau et observer leur comportement.

L’un des oeufs flotte. Un autre se maintient juste à la surface de l’eau. Le troisième coule. Demander aux élèves d’expliquer la différence de comportement de ces trois oeufs (Figure 3). On peut aussi compliquer le problème en ajoutant une ou plusieurs petites pièces de monnaie dans les oeufs qui n’ont pas coulé et chercher combien en mettre pour les faire couler.

Ce qu’il s’est passé

Les élèves découvrent assez vite que les oeufs ont des poids et donc des masses différentes. Mais comme ils ont même volume, leurs masses volumiques different. L’oeuf le plus lourd est celui rempli d’eau salée, et comme sa masse volumique est supérieure à celle de l’eau, il tombe au fond. L’oeuf rempli d’eau pure a presque la même masse volumique que l’eau. Il se maintient donc juste sous la surface de l’eau. La matière plastique dont est fait cet oeuf est assez légère pour le maintenir juste en état de flottaison. Et enfin l’oeuf plein d’air a une masse volumique beaucoup plus faible que l’eau, donc il flotte sur l’eau.

L’étrange mouvement d’un oeuf Kinder

Eveillez la curiosité de vos élèves avec un effet de friction à l’intérieur de l’oeuf.

Matériel

• Un oeuf plastique de l’intérieur d’un Kinder
• Un fil de coton ou de nylon
• Une bille d’acier percée ou un gros écrou
• Une bille de bois ou de liège percée d’un trou
• Un fragment de paille ou de chalumeau à boire, quelques millimètres plus long que l’oeuf
• Une paire de ciseaux ou un percet pour percer la coque de l’oeuf plastique

Mode opératoire

A faire avant la démonstration en classe :

1. Percer un trou à chaque extrémité de l’oeuf.
2. Faire passer le fil à travers un de ces trous, puis à travers le fragment de chalumeau, puis à travers l’autre trou (figure 4).
3. Fermer l’oeuf, ce qui plie la paille à l’intérieur.
4. Attacher la bille d’acier ou l’écrou à un bout du fil, et la bille de bois ou de liège à l’autre bout.

A faire au moment de la demonstration :

1. Demander à un élève de tenir la bille d’acier dans une main. Lâcher l’oeuf et la bille de bois ou de liège.
   L’oeuf se met à glisser le long du fil et finit par toucher la bille de bois ou de liège (figure 5A).
2. Répéter la même expérience, mais en inversant les billes. L’élève tient la bille de bois et laisse tomber l’écrou ou la bille d’acier.
   Cette fois l’oeuf ne tombe pas, mais reste croché au milieu du fil (figure 5B).
3. Comment expliquer cette différence de comportement ?

Ce qui s’est passé

La tension due au poids de la bille de bois est faible. Il y a peu de frottement entre le fil et le tuyau de la paille pliée (figure 4 B), donc l’oeuf peut glisser le long du fil. Par contre, si on inverse le role des deux billes, la tension créée par le poids de la bille d’acier ou l’écrou est importante. Le fil appuie fortement sur le pli de la paille déformée (figure 4B), et cela augmente les frottements à tel point que l’oeuf ne peut plus se déplacer.

Il est possible d’obtenir un effet analogue en tirant sur les deux extrémités à la main. Aux élèves de découvrir d’autres manières d’atteindre le même résultat.

A contre-courant

Comment montrer que l’oeuf en plastique peut ne pas être emporté par un courant d’eau.

Matériel

• Un oeuf plastique de l’intérieur d’un Kinder
• Un long tube transparent fermé à une extrémité, dont le diamètre soit très légèrement supérieur à celui de l’oeuf. Ex.: cylindre gradué
• De l’eau

Mode opératoire

1. Mettre l’oeuf vide dans le tube pour qu’il tombe au fond.
2. Verser de l’eau dans le tube.
   L’oeuf s’élève dans le tube en flottant.
3. Quand le tube est plein d’eau, le recouvrir à la main, et renverser le tube, sans lâcher la main.
4. Tenir le tube en position inversée et retirer la main, ce qui permet à l’eau de s’écouler.
   Mais, au lieu d’être éjecté du tube avec l’eau, l’oeuf reste dans le tube et y flotte tant qu’il y a de l’eau (figure 6).

Ce qui s’est passé

Quand on laisse s’écouler l’eau, elle s’écoule autour de l’oeuf, qui reste à la surface pendant cette vidange. Ainsi l’oeuf est entouré d’eau, qui empêche l’air de passer autour de lui. La pression qui règne au-dessus de l’oeuf est inférieure à la pression atmosphérique extérieure. L’oeuf subit une pression vers le haut égale à la différence de pression. L’oeuf se met à flotter, à cause de l’eau qui l’entoure.

L’équilibre de l’oeuf

Comment montrer que le déplacement du centre de gravité change la position de l’oeuf à l’équilibre.

Matériel

• Un oeuf de l’intérieur d’un Kinder
• Un marqueur indélébile
• Environ 30 cm de fil de fer fin
• Un morceau de polystyrene expansé, taillé pour épouser étroitement la forme de l’intérieur d’une des moitiés de l’oeuf plastique.
• Un récipient transparent gradué, permettant de mesurer 1 litre d’eau
• Une paire de ciseaux ou un percet, pour percer l’oeuf plastique
• De l’eau

Mode opératoire

A faire à l’avance :

1. Marquer chaque extrémité de l’oeuf plastique à l’aide du marqueur, et par exemple avec une croix à un bout et un cercle à l’autre. Si vous avez un modèle d’oeuf très ancien, comme en figure 7, utilisez deux coouleurs différentes.
2. Percez plusieurs trous diamétralement opposés au milieu de l’oeuf, puis deux trous aux deux extrémités (croix et cercle).
3. Fixez le morceau de polystyrene expansé dans l’une des moitiés de l’oeuf.
4. Enfilez le fil à travers les deux trous du milieu de l’oeuf. Tordez ses extrémités pour faire une poignée. Fermez l’oeuf.

Au moment de faire l’expérience

1. Tenez l’oeuf par la poignée, et observez quelle marque, cercle ou croix, est en haut.
2. Faites tourner l’oeuf sur son axe.
   L’oeuf revient toujours à la même position de depart.
3. Tremper l’oeuf dans l’eau.
   L’eau entre par les trous, et l’oeuf s’inverse complètement.
4. Sortir l’oeuf de l’eau.
   L’eau s’écoule hors de l’oeuf, et l’oeuf retourne à sa position originelle.

Ce qui s’est passé

Dans l’air, l’oeuf est en équilibre stable avec la masse de polystyrene dans le bas de l’oeuf. Le centre de gravité est situé sous l’axe de rotation, qui est aussi le passage du fil. Aussi, quand l’oeuf est placé dans sa position hors de l’équilibre, le moment de la force de gravitation par rapport à l’axe remet l’oeuf dans sa position originale.

Quand l’oeuf est dans l’eau, l’eau entre dans l’oeuf, et des bulles d’air s’en échappent. Mais le morceau de polystyrene empêche l’eau de remplir la moitié supérieure de l’oeuf. La moitié inférieure s’alourdit. Et le centre de gravité change de position. L’oeuf se retourne, pour que le centre de gravité soit sous l’axe de rotation.

L’oeuf artiste de cirque

Est-ce que vos élèves peuvent deviner pourquoi l’oeuf fait des culbutes?

Matériel

• Un oeuf plastique Kinder par groupe d’élèves.
• Une sélection de billes et objets de formes, de tailles et de poids différents, tous assez petits pour entrer dans l’oeuf plastique
• Un plan incliné

Mode opératoire

1. Poser un oeuf préparé à l’avance en haut du plan incliné. Observer les réactions de surprise des élèves. Au lieu de rouler simplement, l’oeuf se retourne et bascule, en faisant des culbutes comme un artiste de cirque.
2. Donner à chaque groupe d’élèves un oeuf plastique et quelques objets du stock. Demandez leur de reconstituer la démonstration ci-dessus.
   Variante. Vous pouvez considérer l’oeuf comme une “boîte noire”, et demander aux élèves de deviner son contenu, sans l’ouvrir.

En secouant et manipulant la boîte noire, les élèves devraient deviner qu’il y a une bille à l’intérieur. En mettant différentes billes dans un oeuf vide, ils devraient en trouver une dont la taille et le poids permette à l’oeuf de faire des culbutes. Cela leur permet d’expliquer le comportement de l’oeuf ainsi chargé.

Ce qui s’est passé

Quand l’oeuf est placé sur le plan incliné, la bille roule vers la partie arrondie du bas de l’oeuf. Ceci redresse l’oeuf, et même le fait se retourner sur lui-même, comme la pirouette d’un artiste de cirque. La balle enfermée dans le container peut alors se remettre à rouler, ce qui entraîne une nouvelle culbute.

Vos idées ?

Nous espérons que les informations précédentes vous suggéreront d’autres expériences. Si c’était le cas, nous vous serions gré de nous transmettre vos idées sur la version en ligne de cet article. Est-ce que vos essais ont été probants ? Peut-on les améliorer ?

Remerciements

Cet article est une adaptation d’une publication originale faite dans Physics Education (Onderová & Featonby, 2015).