Tintement du plomb

Un article du site scienceamusante.net.
Cloche en plomb (réalisation "maison").

Le plomb SGH08SGH07SGH09 est un métal assez mou, maléable, à bas point de fusion (328°C). De fait, lors d'un choc sur un objet fait de plomb, les vibrations sont amorties et l'objet ne présente pas de tintement particulier. D'autres métaux ont des propriétés assez proches (maléabilité, bas point de fusion) : étain, zinc, antimoine, bismuth.

Il n'existe donc pas de cloches en plomb qui seraient vendues, car cela n'aurait aucun intérêt pratique ! Sauf qu'une telle cloche a un intérêt scientifique et pédagogique : montrer qu'en refroidissant du plomb à très basse température, le métal devient assez ridige pour transmettre les ondes mécaniques (vibrations sonores), et donc présenter un tintement, comme une cloche en bronze !

Sommaire

1 Fabrication de la cloche en plomb

La cloche illustrée ici est d'une fabrication "maison" :

  • Un cylindre de cire de bougie a été fabriqué, puis fixé sur un tour de potier et usiné au ciseau à bois, de manière à lui donner une forme de cloche (intérieur et extérieur).
  • Un moule en plâtre a été réalisé autour de l'objet en cire. Après prise et séchage du plâtre, la cire a été retirée par chauffage.
  • Du plomb SGH08SGH07SGH09 chauffé jusqu'à fusion a été coulé dans le moule.
  • Après refroidissement et démoulage, la cloche a été polie et se présente telle que photographiée. (Le manche de la cloche correspond à l'ouverture du moule par laquelle le plomb a été coulé.)

On peut bien sûr vérifier que la cloche ne "sonne" pas quand on la frappe avec un bout de bois ou un maillet.

2 Précautions

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

  • Manipuler l'azote liquide SGH04Basses températures implique d'en connaître parfaitement les dangers et d'utiliser les équipements de protection adaptés : lunettes de sécurité, gants cryogéniques spéciaux, pièce ventilée.
  • Une pièce métallique possède une forte capacité thermique et une forte conductivité thermique : ne jamais toucher la cloche avec les mains nues lorsqu'elle est à très basse température car la peau restera collée au métal, et la main se congèlera immédiatement ! Basses températures

3 Refroidissement à l'azote liquide

  • Dans un vase Dewar, on verse une bonne quantité d'azote liquide (–196°C) SGH04Basses températures.
  • La cloche est plongée dans l'azote liquide jusqu'à son refroidissement complet (arrêt de l'ébullition de l'azote liquide).
  • La cloche est alors sortie de l'azote liquide avec une pince isolante et des gants de protection cryogénique. On frappe la cloche avec un bout de bois dur ou un maillet ; celle-ci présentement maintenant un beau tintement.
  • Si on laisse la cloche revenir à température ambiante (patienter pendant 1h, ou bien tremper la cloche dans une bassine d'eau chaude), on constate qu'elle retrouve son comportement d'origine, sans tintement.

4 Explications

  • Le plomb étant un métal assez mou, les atomes au niveau microscopique peuvent facilement se réarranger en glissant les uns par rapport aux autres si l'on déforme un morceau de plomb solide. De la même manière, les ondes sonores, qui sont des ondes de compression, ne pourront pas se propager longtemps dans ce métal peu rigide. Les ondes sont rapidement amorties, ce qui explique pourquoi la cloche en plomb ne donne aucun tintement.
  • Par contre, la rigidité du plomb (et des métaux et autres matériaux, d'une manière générale) peut varier en fonction de la température : lorsqu'on refroidie le plomb, les atomes au niveau microscopique ont moins d'agitation (énergie cinétique), ils se rapprochent les uns des autres. En mesurant précisément la longueur d'une tige métallique, on constaterait qu'elle est plus courte (contractée) à basse température. Inversement, la longueur augmenterait (dilatation) si l'on chauffe.
  • Ainsi, à la très basse température de l'azote liquide (–196°C), le plomb devient un métal très rigide et cassant, et aussi un bon conducteur des ondes sonores. Si l'on tape la cloche, on crée des ondes sonores qui se propagent dans le métal, ce qui produit un beau son de cloche.
  • Si la cloche de plomb revient à température ambiante, elle retrouve sa faible rigidité et cesse de tinter.

5 En savoir plus

Pour d'autres expériences illustrant l'effet de très basse température sur un métal, voir : Solidification du mercure et Dilatation et contraction du laiton

Bonus pour physicien : la cloche ayant été refroidie à l'azote liquide, si on la plonge dans une bassine d'eau froide, l'eau va immédiatement se congeler sur la cloche et former un gros glaçon. Connaissant la masse de glace déposée sur la cloche (par différence de masse), la capacité thermique de l'eau et l'enthalpie de fusion de l'eau, on doit pouvoir arriver à estimer la capacité thermique du plomb ! (aux incertitudes près...)

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