etude d'un clepsydre
On note S la section de la clepsydre et s la section de l’ajutage.
Le paramètre décrivant l’écoulement est la hauteur de la colonne d’eau H ( t ) dont on veut décrire l’évolution au cours du temps.
a. Relation de conservation de la masse (débit)
Le débit volumétrique d’eau est donné par (1) : Q ( t ) = −S
V ( t ) est la vitesse (moyenne1) de sortie de l’eau.
dH
= sV ( t ) où dt H(t)
b. Conservation de l’énergie pour un fluide idéal non visqueux
(relation de Bernoulli)
Toute l’énergie potentielle gagnée par la descente de l’eau est convertie en
1
énergie cinétique, soit mV 2 ( t ) = mgH ( t ) où m est la masse qui s’écoule
2
entre les instants t et t + dt . On a donc
(2)
V(t)
V ( t ) = 2 gH ( t ) ,
résultat peu intuitif : le flux sortant n’est donc pas proportionnel à la différence de pression mais à la racine de cette différence2.
c. Vérification expérimentale de la loi (2)
V(t)
L’écoulement libre de l’eau est quasiment une chute libre et décrit sensiblement une parabole d’équation H a =
2
1 L g .
2 V2
De (2) on tire L ( t) ) = 2 H a H ( t ) qui donne donc la portée du jet au cours du
Ha
L
temps, résultat facile à tester.
d. Résolution de (1)
On reprend l’équation de départ :
−S
on intègre :
dH ( t ) dt H( t) = −
= sV ( t ) = s 2 gH ( t ) ⇒ s 2g
2S
dH ( t ) dt =−
H '( t ) s 2g s ;
2 gH ( t ) ⇒
=−
S
2S
2 H( t)
t + K ; à t = 0 on a H ( 0 ) = H0 d’où K =
s g
H ( t ) = H0 1 −
S 2 H0
H0 et finalement
2
t .
1 Il n‘est pas évident que la vitesse instantanée soit uniforme…
2 On se trouve en régime inertiel et pas dissipatif ; pour obtenir un régime dissipatif (écoulement type Poiseuille) il faut
augmenter la viscosité et diminuer la section du tube de manière à diminuer le nombre de