Lévitation d'une balle avec un sèche-cheveux

Voilà une expérience assez impressionnante et amusante que chacun peut réaliser à la maison facilement : faire flotter une balle dans un flux d'air.

1 Matériel

• Un sèche-cheveux assez puissant et soufflant de l'air froid
• Une balle de ping-pong, des balles en polystyrène de différents diamètres
• Un tube en carton de diamètre plus grand que les balles

2 Expérience

• Allumer le sèche-cheveux et le placer de telle sorte que le souffle soit vertical et dirigé vers le haut.
• Dans le flux d'air, placer une balle. On observe que la balle se met "en lévitation" dans l'air, en bougeant autour d'une position d'équilibre.
• Pousser légèrement la balle avec un doigt pour l'écarter de sa position d'équilibre. Celle-ci s'empresse de revenir au centre du flux d'air.
• Si l'on incline le sèche-cheveux, le flux n'est plus vertical, mais la balle reste "suspendue" dans le souffle. On peut aller jusqu'à un angle d'inclinaison d'environ 45° avant que la balle ne se "décroche" !

3 Explications

Il n'est pas facile d'expliquer simplement ce phénomène. Tout comme dans l'expérience du souffle qui rapproche les feuilles parallèles, on explique ce phénomène par la relation qui existe entre la vitesse d'un fluide à un endroit et sa pression à cet endroit, que les physiciens appellent "théorème de Bernoulli".

Ce théorème, auquel correspond une formule mathématique compliquée, dit (résumé de manière simpliste ici) que la pression d'un fluide diminue quand sa vitesse augmente. Un fluide peut aussi bien être un liquide qu'un gaz. En quelque sorte, dans un flux d'air qui se déplace rapidement, il se crée une dépression dans laquelle la balle est attirée. Bien sûr, la balle est aussi attirée par le sol en raison de sa masse et la force due à la gravitation.

• En position verticale, la balle se retrouve en lévitation, par compensation de son poids (vecteur P) et des frottements de l'air sur elle (vecteur F).
• Lorsqu'on écarte légèrement la balle de sa position d'équilibre avec un doigt (vecteur D), on l'éloigne alors de la zone centrale où la vitesse de l'air est maximale, et où la dépression est la plus forte. Une nouvelle force est appliquée sur la balle, qui tend à la ramener dans la position centrale (vecteur B).
• Si maintenant on incline légèrement le flux d'air, la balle reste dans le flux, sans tomber. Dans ce cas, la balle est soumise à 3 forces : son poids (qui est toujours le même, P), les frottements de l'air sur elle (F), et une force (B) due à la différence de pression entre l'axe du flux d'air et l'endroit où se trouve la balle.

Flux d'air vertical.

Balle en équilibre dans un flux d'air vertical.

Balle en déséquilibre dans un flux d'air vertical, quand on la pousse avec un doigt.

Balle en équilibre dans un flux d'air incliné.

4 En savoir plus

• C'est en raison du même effet que les avions et hélicoptères peuvent voler ! Les ailes ou les pales ont un profil géométrique tel que, lorsqu'elles se déplacent relativement à l'air, il se crée une dépression sur le dessus de l'aile. Ainsi, une force opposée au poids s'exerce sur l'engin, et celui-ci peut s'envoler.
• C'est aussi cet effet qui est responsable de l'"effet Venturi", que l'on retrouve par exemple dans les anciens brumisateurs et flacons de parfum, ou dans les trompes à eau de laboratoire servant à faire des filtrations sous pression réduite . L'effet Venturi se manifeste dans l'expérience du souffle qui rapproche les feuilles parallèles.
• L'effet Magnus, dérivé de l'effet Venturi, explique la propulsion de certains bateaux sans voile. Il se peut que cet effet intervienne sur les balles en rotation dans le flux du sèche-cheveux.