Balle rebondissante

Un article du site scienceamusante.net.

Nous avons vu dans l'expérience du Slime®, un exemple de gel liquide fabriqué à partir d'alcool polyvinylique (PVOH) et de borax. Or il est possible de fabriquer, sur le même principe, un gel liquide encore plus élastique et visqueux en remplaçant le PVOH par de la colle à bois. Avec cette matière on peut fabriquer des balles rebondissantes !

Sommaire

1 Précautions

Outre les précautions en chimie qui sont d'usage, cette expérience comporte les attentions suivantes :

  • Porter une blouse, des lunettes et des gants afin d'éviter tout risque de tache ou d'allergie.
  • Cette colle à bois est hydrosoluble, les taches peuvent être lavées à l'eau avant qu'elle ne sèchent.

2 Matériel

Colle à bois blanche Sader®

3 Protocole expérimental

3.1 Préparation des solutions

  • Solution de borax à 4% :
    • Mettre 40 g de borax SGH08 dans une bouteille propre de 1 L, puis compléter avec de l'eau distillée jusqu'à presque 1 L.
    • Agiter pour dissoudre tout le borax, puis compléter la bouteille de 1 L avec de l'eau distillée. (Il se peut que tout le borax ne se dissolve pas, auquel cas la solution est saturée.)
    • Étiqueter correctement la bouteille. La solution peut se conserver plusieurs mois.
  • Solution de colle à bois :
    • Dans un récipient, mélanger la colle à bois avec de l'eau, avec les proportions : 2/3 de colle à bois + 1/3 d'eau (en volume).
    • Agiter jusqu'à obtenir une crème liquide homogène.
    • Étiqueter correctement la bouteille.

3.2 Fabrication de la matière

  • Dans un bécher, verser environ 20 mL de solution de borax SGH08.
  • Verser 150 mL de la solution de colle dans un bécher.
  • À l'aide de la baguette en verre, agiter continuellement tout en ajoutant petit à petit la solution de borax.
  • Un gel se dépose immédiatement sur la baguette en verre. Continuer à homogénéiser en écrasant bien le gel contre les parois du bécher.
  • Continuer à mélanger vigoureusement jusqu'à obtention d'une pâte gluante mais non-collante.
  • Sortir le gel du bécher et le pétrir sur une table lisse et propre jusqu'à homogénéité parfaite. Si le gel colle à la peau, le remettre dans le bécher et ajouter quelques gouttes de solution de borax.

3.3 Observation des propriétés physiques

  • Comportement mécanique de ce gel :
    • Il casse net lorsqu'on le brusque, mais coule très lentement lorsqu'on le suspend.
    • Il peut s'étirer sur plusieurs mètres sous son propre poids.
    • Deux morceaux de gel peuvent fusionner lorsqu'on les mélange.
    • Posé sur une surface lisse, le gel s'étale très lentement en forme de flaque circulaire.
    • Déposé dans un récipient, il en prend lentement la forme.
    • Soumis à une contrainte ou des choc, il garde sa forme, alors qu'il s'étale lentement dès qu'on le laisse au repos.
    • Lorsqu'on lui donne une forme de balle, celle-ci rebondi très bien sur une surface lisse.
  • Modification des propriétés :
    • Pour obtenir une matière encore plus élastique (pour faire une balle), refaire cette préparation en ne diluant pas la colle à bois : mélanger 50 mL de colle originale avec 10 mL de solution de borax et malaxer quelques minutes.
  • À l'inverse, pour obtenir une consistance plus fluide, proche du Slime®, diluer un peu plus la colle à bois : moitié colle + moitié eau.

4 Explications

  • Cette colle à bois contient de longues chaînes de polymères, l'acétate de polyvinyle (PVA) en émulsion dans l'eau ; cette émulsion donne à la colle cet aspect laiteux et opaque. L'ajout de borax crée des ponts entre les chaînes (réticulation physique), ce qui donne une matière compacte et très élastique. Voir l'expérience du Slime® pour les explications.
  • Lorsque la balle percute une surface, la balle se déforme ce qui correspond, à l'échelle microscopique, à des élongations et contractions des longues chaînes moléculaires. L'énergie cinétique est alors alors transformée en énergie potentielle, comme dans un élastique. Les molécules tendent à se remettre en place, l'énergie potentielle est reconvertie en énergie cinétique, d'où le rebond. Cependant, la balle ne rebondit pas jusqu'à la même hauteur de départ car, lors du choc, une partie de l'énergie cinétique a été dissipée en chaleur à cause des frottements entre les chaînes moléculaires et de la réorganisation des chaînes moléculaires entre elles, car c'est un liquide et non un solide. Cette propriété élastique est aussi visible dans le cas du polyacrylamide qui, par contre, est un gel solide.
  • Cette matière a une propriété physique particulière : il est rhéoépaississant et thixotrope. Lorsque ce gel est agité, soumis à des contraintes ou des chocs, il devient plus visqueux et donc plus difficile à déformer ; lorsqu'il est au repos il devient plus fluide et coule lentement. On retrouve cette propriété avec un mélange de farine de maïs (maïzéna) et d'eau. Les matières qui, à l'inverse, deviennent plus fluides lorsqu'on les agite sont dites rhéofluidifiantes. Tous ces fluides sont qualifiés aussi de non-newtoniens.
  • Après quelques jours, on remarque que la matière obtenue devient dure en surface : ceci est simplement dû à la colle qui sèche. On peut essayer de sécher une boule de matière au sèche-cheveux pour en faire une balle plus solide.

5 Références

  1. Il existe plusieurs marques de colles à bois blanche, et plusieurs types de colles, cependant l'expérience donne les meilleurs résultats avec la colle indiquée. (Sans vouloir faire de publicité...)
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