Le son d'une bouteille
Mesurer la vitesse du son en débouchant une bouteille de vin
Résumé :
L'élève enregistre et analyse le son produit lors de l'ouverture d'une bouteille de vin en utilisant l'outil Fréquence Fondamentale de FizziQ. Activité adaptée au lycée.
Niveau :
Auteur :
Durée :
Lycée
FizziQ
Objectif pédagogique :
Concepts scientifiques :
Résonance de Helmholtz; Ondes sonores; Fréquence fondamentale; Cavités acoustiques; Vitesse du son
Capteurs :
-Microphone
Matériel :
Smartphone avec l'application FizziQ; Une bouteille de vin (avec un adulte); Optionnel: un enregistreur pour répéter l'analyse; Mètre ou règle pour mesurer les dimensions du goulot; Cahier d'expérience FizziQ
Protocole expérimental :
1. Dans cette expérience nous mesurons la vitesse du son en mesurant la fréquence de l’onde sonore émise lors de l’ouverture d'une bouteille de vin
2. Quand on ouvre une bouteille de vin, on entend un son caractéristique, une sorte de de pop. Ce son est du à l’air qui résonne dans l’espace du goulot, on appelle ce phénomène une résonance de Helmholtz
3. La fréquence de ce son est directement liée à la taille du goulot, et aussi à la vitesse du son, par une formule mathématique
4. La prochaine fois que l’on ouvrira une bouteille en famille, enregistre le son produit lors du débouchage avec l’instrument Fréquence Fondamentale de FizziQ
5. Si tu veux pouvoir reproduire la mesure plusieurs fois, enregistré le son avec un enregistreur et fais plusieurs mesures avec le son enregistré
6. La fréquence f du son émis est liée à la hauteur du goulot et à son diamètre par la formule : f = c/(4*L+2,48*D)
7. Peux-tu déduire de ton expérience la vitesse du son à partir de cette formule ? Quelle valeur trouves-tu ?
8. Compare cette valeur à la valeur trouvée sur internet, et complète et partage ton cahier d’expérience
Résultats attendus
Questions scientifiques :
Analyse scientifique
Le 'pop' caractéristique d'une bouteille qu'on débouche est un exemple parfait de résonateur de Helmholtz, du nom du physicien allemand Hermann von Helmholtz (1821-1894). Ce type de résonateur est constitué d'une cavité reliée à l'extérieur par une ouverture étroite, comme le goulot d'une bouteille. Le phénomène physique se déroule ainsi: lorsque le bouchon est retiré rapidement, l'air comprimé dans la bouteille s'échappe brusquement, créant une perturbation acoustique. Cette perturbation excite la colonne d'air dans le goulot qui commence à osciller à sa fréquence naturelle de résonance. Pour un résonateur de Helmholtz, cette fréquence f est donnée par la formule: f = c/(4L+2,48D), où c est la vitesse du son, L la longueur du goulot, et D son diamètre. Le terme correctif 2,48D prend en compte l'effet de radiation acoustique à l'extrémité ouverte du tube. Typiquement, pour une bouteille de vin standard (goulot de 7-8 cm de long et 2 cm de diamètre), la fréquence du 'pop' se situe autour de 400-450 Hz. En mesurant précisément cette fréquence avec FizziQ et en connaissant les dimensions du goulot, on peut inverser la formule pour calculer la vitesse du son: c = f×(4L+2,48D). La vitesse théorique du son dans l'air à 20°C est d'environ 343 m/s, variant légèrement avec la température selon la relation c = 331,3 + 0,606×T (T en °C). Cette méthode permet généralement d'obtenir une estimation avec une précision de ±2-3%, en fonction de la netteté du son et de la précision des mesures dimensionnelles.
Variantes possibles
Activités et ressources associées
- Helmholtz : Mesurer la vitesse du son par la fréquence de résonance d'un tube
- Diapasons : Étude des fréquences de diapasons au cours de l'histoire
- Effet tube : Mesurer la vitesse du son par résonance acoustique dans un tube
- Pendule sonore : Etude de l'effet Doppler pour un pendule sonore ou une balançoire
FAQ
Q: Qu'est-ce que la résonance de helmholtz ?
R: Le 'pop' caractéristique d'une bouteille qu'on débouche est un exemple parfait de résonateur de Helmholtz, du nom du physicien allemand Hermann von Helmholtz (1821-1894).
Q: Comment fonctionne l'analyse spectrale de FizziQ ?
R: FizziQ décompose le son capté par le microphone en ses fréquences composantes grâce à une transformée de Fourier rapide (FFT). Le spectre affiché montre l'amplitude de chaque fréquence, permettant d'identifier les harmoniques et la fréquence fondamentale.
Q: Quelles sont les principales sources d'erreur ou limites de cette expérience ?
R: Cette méthode permet généralement d'obtenir une estimation avec une précision de ±2-3%, en fonction de la netteté du son et de la précision des mesures dimensionnelles.