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Comprendre le pouvoir des bulles
grâce aux vols paraboliques :
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Structure des activités
Ce laboratoire regroupe 3 activités qui sont ordonnées ainsi:
Activité 1 :...
3Philippe.kobel@epfl.ch
Le cycle d'investigation des activités
La démarche d'investigation utilisée dans les activités est...
4Philippe.kobel@epfl.ch
Concepts mobilisés dans les activités (pré-requis)
● Pression, transformation de phase
● vitesse m...
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Remarques sur les pré-requis
● Les trois activités de ce laboratoire supposent qu'on ait été préal...
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Compétences génériques visées ou travaillées
(On a regroupé ici l'ensemble des compétences et obje...
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Objectifs d'apprentissage (cf. Anderson, Kratwohl, 2001)
● O1) COMPRENDRE: Expliquer un phénomène ...
8Philippe.kobel@epfl.ch
Objectifs d'apprentissage (cf. Anderson, Kratwohl, 2001)
● O6) APPLIQUER: Prendre des mesures de d...
9Philippe.kobel@epfl.ch
Activité # 1 (introductive): Comment les bulles de
cavitation apparaissent-elles ?
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Objectifs d'apprentissage (cf. Anderson, Kratwohl, 2001)
● O1) COMPRENDRE: Expliquer un phénomène...
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Observons...
● Comment décrire une bulle?
● Dans quelles autres situations (à part l'ébullition) ...
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Observons...d'autres situations
Turbine pour la production d'énergie hydraulique
ORIENTATION
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Observons...d'autres situations
Profile dans un écoulement
(tunnel de cavitation du Laboratoire d...
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Observons...d'autres situations
Une crevette très dangereuse...
Tiger Pistol Shrimp
ORIENTATION
15Philippe.kobel@epfl.chhttp://www.youtube.com/watch?v=XC6I8iPiHT8
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CONCEPTUALISATION – Question et hypothèses
Comment peut-on créer des bulles de vapeur
sans chauff...
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Testons avec une seringue!
Comment pourrions-nous tester cette hypothèse par une expérience
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Comment faire chuter la pression dans un
fluide en mouvement?
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Rassemblons nos idées pour créer un modèle
● (O1) On peut décomposer l'apparition et l'implosion ...
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Où en sommes-nous avec les objectifs?
● (O1) Quel bloc de notre modèle schématique élaboré en con...
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Où en sommes-nous avec les objectifs?
● (O1) Le bloc "liquide en accélération" n'est pas forcémen...
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Evaluons nos compétences
● (C1-C2) Résumez sous forme itémisée et schématique les étapes du
chemi...
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Evaluons nos compétences
● (C4) Pour compléter le diagramme-modèle réalisé en conclusion,
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Introduction aux activités suivantes :
La violente implosion des bulles et
leur expérimentation e...
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Objectifs d'apprentissage (cf. Anderson, Kratwohl, 2001)
● O5) CREER: Générer des questions de re...
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De l'abstrait au concret:
Un problème académique aux conséquences modernes
● Stokes (1819-1903) d...
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● Rayleigh eut une intuition en 1917:
L'effondrement ("collapse") du liquide sur lui-même pourrai...
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● Aujourd'hui les dégâts provoqués par les bulles de cavitation
concernent de nombreuses technolo...
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Questions de recherche
● (O5) Formulez des questions "testables" à poser et étudier pour relier
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Questions de recherche
● On peut formuler plusieurs questions de recherche (selon les intérêts,
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Présentation de la méthode
● Approche expérimentale: On va utiliser des films de
l' implosion de ...
32Philippe.kobel@epfl.chS3 Seminar 28 June 2006
33Philippe.kobel@epfl.ch
Principe: Apesanteur = chute libre
ORIENTATION
● Au sol, vous ressentez votre poids uniquement pa...
34Philippe.kobel@epfl.ch
Manoeuvre de vol parabolique
● 31 paraboles par vol!
35Philippe.kobel@epfl.ch
Les vidéos suivantes vous permettrons de sentir et comprendre les vols paraboliques :
Films par l...
36Philippe.kobel@epfl.ch
Eau Container
Eclairage
Caméra rapide
Laser
Bulle de
cavitation
Miroir convergent
37Philippe.kobel@epfl.chDétails sur l'expérience et les données : Obreschkow et al., Exp. Fluids (2012)
38Philippe.kobel@epfl.ch
Téléchargement des données
"Driving pressure" = pression de l'eau – pression vapeur ~ pression de...
39Philippe.kobel@epfl.ch
● Télécharger dossier .zip de cavité
● Renommer le fichier cavity0000x_..._enhanced.avi en
cavity...
40Philippe.kobel@epfl.ch
Activité # 2 : La violente implosion des bulles –
Durée et vitesse d'implosion
41Philippe.kobel@epfl.ch
Objectifs d'apprentissage (cf. Anderson, Kratwohl, 2001)
● O4) CREER: Générer une hypothèse.
● O6...
42Philippe.kobel@epfl.ch
Comment mesurer la durée d'implosion Tc
?
● (O6,O7) Comment vous y prendriez-vous pour estimer la...
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Comment mesurer la durée d'implosion Tc
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Attention: Le temps mesuré par défaut dans Regressi cor...
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Comment mesurer une "vitesse"
moyenne d'implosion?
● (O7) Comment pourrait-on s'y prendre pour ef...
45Philippe.kobel@epfl.ch
Comment mesurer une "vitesse"
moyenne d'implosion?
● Rayon initial (juste avant collapse) = R0
● ...
46Philippe.kobel@epfl.ch
Mesure du rayon maximal R0
Ouvrir fichier log ou prendre directement ces valeurs:
● Microns per p...
47Philippe.kobel@epfl.ch
Vitesse de collapse
Questions suscitant une investigation:
● Toutes les bulles implosent-elles av...
48Philippe.kobel@epfl.ch
Vitesse moyenne de collapse
V c=
R0
Tc
=0.914
√
ρ
p
Théorie de Payleigh-Plesset
● Les résultats d...
49Philippe.kobel@epfl.ch
Relions nos résultats à la problématique
● Prenez un moment vous vous remémorer la problématique ...
50Philippe.kobel@epfl.ch
Relions nos résultats à la problématique
● (O11) Nos mesures apportent seulement une information ...
51Philippe.kobel@epfl.ch
Où en sommes-nous avec les objectifs?
● (O7) Quelle est la différence entre la vitesse moyenne d'...
52Philippe.kobel@epfl.ch
Où en sommes-nous avec les objectifs?
● (O7) Dans le cas de la bulle cette dernière ne se déplace...
53Philippe.kobel@epfl.ch
Activité # 3 : La violente implosion des bulles –
La dynamique de la bulle et ses conséquences
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Objectifs d'apprentissage (cf. Anderson, Kratwohl, 2001)
● O3) COMPRENDRE: Déduire de l'augmentat...
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Dynamique de la bulle:
Evolution du rayon et vitesse
Problème: L'observation des films montre que...
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Dynamique de la bulle:
Evolution du rayon et vitesse
Prendre ses mesures dans Regavi:
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Dans Regavi:
● Vous pouvez ensuite effectuer une suite de mesures de la paroi de la
bulle durant ...
58Philippe.kobel@epfl.ch
Dans Regavi:
● Le plus simple est de suivre un point évoluant sur l'axe des X ou Y (notés
"x(t), ...
59Philippe.kobel@epfl.ch
Importer dans Regressi (clicker sur "Regressi"):
● Choisir les variables à représenter sur le gra...
60Philippe.kobel@epfl.ch
Rayon de la bulle en fonction du temps
● Problème: Regavi mesure par défaut le temps du film AVI
...
61Philippe.kobel@epfl.ch
● Dans "grandeurs": Ajouter des nouvelles variables
● Définir: t_réel = t * 0.000218 (facteur de ...
62Philippe.kobel@epfl.ch
Rayon de la bulle en fonction du temps
63Philippe.kobel@epfl.ch
Et la vitesse?
● (O7) Comment pourriez-vous ajouter des points sur le même
graphique pour rendre ...
64Philippe.kobel@epfl.ch
Rayon et vitesse en fonction du temps
65Philippe.kobel@epfl.ch
Rayon et vitesse en fonction du temps
● (O8) Que peut-on conclure de ces graphes? Sont-ils confor...
66Philippe.kobel@epfl.ch
Questions de développement:
Peut-on former un trou noir?
● La vitesse de la paroi de la bulle peu...
67Philippe.kobel@epfl.ch
Le phénomène de luminescence
● A la fin du collapse, la vitesse de collapse devient tellement gra...
68Philippe.kobel@epfl.ch
Relions nos résultats à la problématique
● (O11) Quels liens voyez-vous entre vos résultats et la...
69Philippe.kobel@epfl.ch
Relions nos résultats à la problématique
● (O11) Les graphes de R(t) et v(t) montrent que puisque...
70Philippe.kobel@epfl.ch
Où en sommes-nous avec les objectifs?
● (O7) Comparons le graphe de l'évolution du rayon en fonct...
71Philippe.kobel@epfl.ch
Où en sommes-nous avec les objectifs?
● (O7) Mêmes remarques que dans l'activité 2. Il ne s'agit ...
72Philippe.kobel@epfl.ch
Evaluons nos compétences
● (C4) Synthétisez les étapes principales de l'évolution temporelle d'un...
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Comprendre le pouvoir des bulles grâce aux vols paraboliques: Un laboratoire virtuel par l'investigation

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Cette présentation se veut un support de guidage pour réaliser un laboratoire virtuel de physique (sur ordinateur) traitant des mystérieuses bulles de cavitation en utilisant des films obtenus en vol parabolique.
Ce laboratoire virtuel comprends 3 activités qui conduisent les éxécutants à travers une démarche d'investigation sur un sujet de physique moderne.

Niveau: secondaire (15 ans et plus)

Concepts mobilisés (selon l'activité): Pression, transformation de phase, conservation de l'énergie, vitesse moyenne, vitesse instantanée comme dérivée

Outils TICs: Applet PhET, logiciel libre Regressi-Regavi

Introduction: Des bulles, on n’en voit pas seulement dans le champagne ou dans une casserole d’eau bouillante. Au cœur des turbines à production d’énergie hydraulique ainsi que dans les fusées, il se forme de mystérieuses bulles qui ont le pouvoir de provoquer d’importants dégâts. Il existe même une crevette qui les utilise pour tuer ses adversaires !
Ces activités du niveau secondaire emmènent les élèves à la découverte des bulles de cavitation et à questionner l’origine de leur violent impact. Pour cela, ils analyseront des bulles « parfaites » qui ont été filmées en apesanteur lors de vols paraboliques!

Compétences visées:
C1): Mener à bien un travail de recherche expérimental depuis la pose de questions de recherche à l'analyse de données et l'utilisation de résultats pour l'élaboration de conclusions.
C2) : Communiquer de manière cohérente et structurée les étapes de sa recherche: motivations, hypothèse, méthodes, résultats, conclusions.
C3) : Mobiliser différentes connaissances théoriques et pratiques de manière intégrée pour traiter une situation nouvelle.
C4): Synthétiser un phénomène, ses causes et/ou son évolution sous forme diagrammatique en utilisant des graphes légendés ou des schémas.

Voir la présentation pour une déclinaison des compétences en objectifs d'apprentissage selon la taxonomie d'Anderson & Kratwohl (2001)

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Comprendre le pouvoir des bulles grâce aux vols paraboliques: Un laboratoire virtuel par l'investigation

  1. 1. 1Philippe.kobel@epfl.ch Comprendre le pouvoir des bulles grâce aux vols paraboliques : Un laboratoire virtuel par l'investigation
  2. 2. 2Philippe.kobel@epfl.ch Structure des activités Ce laboratoire regroupe 3 activités qui sont ordonnées ainsi: Activité 1 : Comment les bulles de cavitation apparaissent-elles ? Introduction aux activités suivantes : La violente implosion des bulles et leur expérimentation en vol parabolique Activité 2 : Mesure de la durée et vitesse d'implosion de la bulle Activité 3 : La dynamique de la bulle et ses conséquences Introduction au phénomène de cavitation Formulation de questions de recherche menant aux activités 2 et 3 Selon l'intérêt, poursuivre par l'activité 2 ou 3 où les réaliser à la suite.
  3. 3. 3Philippe.kobel@epfl.ch Le cycle d'investigation des activités La démarche d'investigation utilisée dans les activités est la suivante (GO- LAB, 2014). L'en-tête de chaque diapositive indique l'étape du processus d'investigation en référence à ce schéma, à savoir "orientation, conceptualisation, investigation et conclusion".
  4. 4. 4Philippe.kobel@epfl.ch Concepts mobilisés dans les activités (pré-requis) ● Pression, transformation de phase ● vitesse moyenne, vitesse instantanée comme dérivée temporelle ● conservation de l'énergie, échauffement adiabatique Logiciels et matériel ● Simulations (applets) PhET ● Films de cavitation (données expérimentales) disponibles librement sur http://bubbles.epfl.ch ● Regressi-Regavi: tableur-grapheur-lecteur de films disponible librement sur https://sites.google.com/a/lycee-descartes.ma/labophypublic/telechargeme nt ● Seringues et pastilles adhésives (pour posters)
  5. 5. 5Philippe.kobel@epfl.ch Remarques sur les pré-requis ● Les trois activités de ce laboratoire supposent qu'on ait été préalablement introduit au concepts de pression, de vitesse, de vitesse moyenne et instantanée (activité #2). Ces activités favorisent la mobilisation de ces concepts de manière active et productive au sein d'une démarche d'investigation authentique et représentant une situation nouvelle, cf. compétences listées ci-après. ● L'activité #3 nécessite une habitude préalable du logiciel Regressi-Regavi.
  6. 6. 6Philippe.kobel@epfl.ch Compétences génériques visées ou travaillées (On a regroupé ici l'ensemble des compétences et objectifs travaillés dans les trois activités du laboratoire. Au début de chacune des activités, les compétences et objectifs s'y rapportant seront rappelés.) ● C1): Mener à bien un travail de recherche expérimental depuis la pose de questions de recherche à l'analyse de données et l'utilisation de résultats pour l'élaboration de conclusions. ● C2) : Communiquer de manière cohérente et structurée les étapes de sa recherche: motivations, hypothèse, méthodes, résultats, conclusions. ● C3) : Mobiliser différentes connaissances théoriques et pratiques de manière intégrée pour traiter une situation nouvelle. ● C4): Synthétiser un phénomène, ses causes et/ou son évolution sous forme diagrammatique en utilisant des graphes légendés ou des schémas.
  7. 7. 7Philippe.kobel@epfl.ch Objectifs d'apprentissage (cf. Anderson, Kratwohl, 2001) ● O1) COMPRENDRE: Expliquer un phénomène (l'apparition et l'implosion de bulles de cavitation) en construisant un modèle schématique des relations cause-effets entre les concepts (pression, changement de phase et accélération/décélération du liquide). Utiliser ce modèle de manière prédictive (implosion). ● O2) COMPRENDRE/APPLIQUER: Prédire comment varie la pression nécessaire à produire de la cavitation lorsque le température varie en examinant le diagramme de phase. ● O3) COMPRENDRE/CREER: Déduire de l'augmentation de la vitesse d'implosion ainsi que du rebond de la bulle que son contenu en gaz doit s'échauffer par compression adiabatique. ● O4) CREER: Générer une hypothèse en combinant observations (films) et théorie connue (diagramme de phase). ● O5) CREER: Générer des questions de recherche testables, c'est à dire auxquelles on peut apporter des réponses par la mesure.
  8. 8. 8Philippe.kobel@epfl.ch Objectifs d'apprentissage (cf. Anderson, Kratwohl, 2001) ● O6) APPLIQUER: Prendre des mesures de distance et de durée sur des films numériques (images en pixels). ● O7) APPLIQUER: Implémenter une mesure de la vitesse moyenne d'implosion de la bulle (en faisant la simplification d'une bulle parfaitement sphérique). Implémenter une mesure de l'évolution de la bulle au cours du temps et en produire un graphique R(t). ● O8) COMPRENDRE: Interpréter un graphique (ici R(t) et v(t)). ● O9) COMPRENDRE/PRODUIRE: Synthétiser sous la forme d'un graphe légendé les différentes étapes de la vie d'une bulle de cavitation ainsi que les transformation d'énergie correspondantes. ● O10) PRODUIRE: Synthétiser les étapes de sa recherche sous forme schématisée. ● O11) EVALUER: Discuter de manière critique la pertinence des résultats obtenus en lien avec une problématique.
  9. 9. 9Philippe.kobel@epfl.ch Activité # 1 (introductive): Comment les bulles de cavitation apparaissent-elles ?
  10. 10. 10Philippe.kobel@epfl.ch Objectifs d'apprentissage (cf. Anderson, Kratwohl, 2001) ● O1) COMPRENDRE: Expliquer un phénomène (l'apparition et l'implosion de bulles de cavitation) en construisant un modèle schématique des relations cause-effets entre les concepts (pression, changement de phase et accélération/décélération du liquide). Utiliser ce modèle de manière prédictive (implosion). ● O2) COMPRENDRE/APPLIQUER: Prédire comment varie la pression nécessaire à produire de la cavitation lorsque le température varie en examinant le diagramme de phase. ● O4) CREER: Générer une hypothèse (en combinant observations et théorie connue). ● O10) ANALYSER: Synthétiser les étapes de sa recherche sous forme schématisée.
  11. 11. 11Philippe.kobel@epfl.ch Observons... ● Comment décrire une bulle? ● Dans quelles autres situations (à part l'ébullition) des bulles peuvent- elles se produire? ORIENTATION Présence de 2 phases
  12. 12. 12Philippe.kobel@epfl.ch Observons...d'autres situations Turbine pour la production d'énergie hydraulique ORIENTATION http://www.youtube.com/watch?v=dG4Tf5QoxzA
  13. 13. 13Philippe.kobel@epfl.ch Observons...d'autres situations Profile dans un écoulement (tunnel de cavitation du Laboratoire des Machines Hydrauliques, EPFL) ORIENTATION http://www.youtube.com/watch?v=U7UgMxMsws0
  14. 14. 14Philippe.kobel@epfl.ch Observons...d'autres situations Une crevette très dangereuse... Tiger Pistol Shrimp ORIENTATION
  15. 15. 15Philippe.kobel@epfl.chhttp://www.youtube.com/watch?v=XC6I8iPiHT8
  16. 16. 16Philippe.kobel@epfl.ch CONCEPTUALISATION – Question et hypothèses Comment peut-on créer des bulles de vapeur sans chauffer? ● (O4) Pouvez-vous émettre une hypothèse pour l'apparition de bulles de cavitation? ● Aidez-vous du diagramme de phase ci-joint en vous focalisant sur les questions suivantes: - Quelles sont les deux variables clés du diagramme? - Laquelle des deux varie dans notre cas? Une hypothèse est une explication a priori (donc sans preuve expérimentale) d'un phénomène.
  17. 17. 17Philippe.kobel@epfl.ch Testons avec une seringue! Comment pourrions-nous tester cette hypothèse par une expérience simple? ● Remplir une seringue partiellement (un tiers du volume) ● Boucher l'extremité de manière hermétique avec des tacs pour les posters ● Tirer sur le piston: Que se passe-t-il? Vous avez fait apparaître des bulles de cavitation! ● (O1) Qu'advient-il des bulles (dites de "cavitation") lorsque la pression augmente à nouveau? Elles disparaissent ou "implosent" rapidement (voir les activités #2 et #3 pour une étude de l'implosion) INVESTIGATION - Expérimentation
  18. 18. 18Philippe.kobel@epfl.ch Comment faire chuter la pression dans un fluide en mouvement? http://phet.colorado.edu/en/simulation/fluid-pressure-and-flow INVESTIGATION - Exploration ● Clickez sur le lien de l'applet ci-dessous qui vous permettra d'expérimenter avec un fluide en mouvement, c.à.d. un écoulement (permettant une approche intuitive du principe de Bernoulli). ● (O1) Quelles sont les paramètres que vous pouvez faire varier? Quelles sont les variables que vous pouvez mesurer? ● Tentez de faire varier le paramètre (créer différentes géométries de conduite, qui se ressere ou qui diverge) et prenez des mesures!
  19. 19. 19Philippe.kobel@epfl.ch Rassemblons nos idées pour créer un modèle ● (O1) On peut décomposer l'apparition et l'implosion de bulles de cavitation sous la forme d'un schéma de causes-effets. Pouvez-vous ordonner les trois concepts ci-dessous et rajouter des flèches de causalité? Un tel diagramme représente un modèle (qualitatif) de l'apparition de bulles de cavitation puisqu'il permet d'attribuer des causes à ce phénomène et par là de prédire dans quelles types de situations ce phénomène se produit. ● (O1) Pouvez-vous produire une même chaîne de causalité pour l'implosion? ● Question qui ouvre vers la suite (activités 2 et 3): Pourquoi la crevette produit-elle de telles bulles pour vaincre ses ennemis? CONCLUSION - Modélisation Liquide en accélération Baisse de pression Bulles de cavitation
  20. 20. 20Philippe.kobel@epfl.ch Où en sommes-nous avec les objectifs? ● (O1) Quel bloc de notre modèle schématique élaboré en conclusion n'est pas forcément nécessaire? ● (O1) Quelle grandeur (ou variable physique) du liquide est considérée constante dans notre modèle? ● (O1) Soit la forme suivante d'un conduit hydraulique où se produisent des bulles de cavitation: Dans quelle partie du conduit peut-on s'attendre à ce que les bulles implosent? Comment avez-vous utilisé votre modèle pour faire cette prédiction? ● (O2) Dans une eau plus chaude (T = 50°C): doit-on faire chuter la pression d'avantage ou moins pour produire de la cavitation? Comment vous-y prenez vous pour répondre (quelle ressource, quelle variable clé)?
  21. 21. 21Philippe.kobel@epfl.ch Où en sommes-nous avec les objectifs? ● (O1) Le bloc "liquide en accélération" n'est pas forcément nécessaire car la condition véritablement nécessaire à l'apparition de telles bulles est de faire chuter la pression (cf. Diagramme de phase), ce qui pourrait être réalisé par d'autres moyens. ● (O1) La température est considérée constante, de telle sorte que la transition s'effectue selon une verticale dans le diagramme de phase. ● (O1) Selon notre modèle, l'implosion (qui est l'inverse de la création des bulles) doit se produire lorsque la pression augmente, ce qui dans le cas de la conduite devrait arriver lorsque le liquide ralentit à l'endroit où la conduite est divergente. ● (O2) En observant le diagramme de phase, on réalise que plus la température augmente, plus la transition entre liquide et vapeur s'effectue à des pressions élevées. Donc la chute de pression nécessaire à l'apparition des bulles sera moins importante.
  22. 22. 22Philippe.kobel@epfl.ch Evaluons nos compétences ● (C1-C2) Résumez sous forme itémisée et schématique les étapes du cheminement de recherche que l'on vient d'effectuer, p.ex: Evaluez-vous à partir des critères et indicateurs suivants. Critères Indicateurs Complétude - Présence des différentes étapes du processus de recherche effectué : observations, question de recherche/hypothèse, expérience, nouvelle question, expérimentation/simulation, résultats, conclusions. - Une ou deux phrases d'explication pour chaque étape. Cohérence - Présentation des étapes dans l'ordre chronologique effectué. - Utilisation cohérente des termes « hypothèse », « observations » etc en lien avec les phrases d'explication. Structure - Fléchage indiquant les liens entre les différentes étapes : la présence d'embranchements (deux flèches partent d'une même étape vers deux autres) ou de convergence (une étape est reliée vers plusieurs autres étapes en amont). Observations : Apparition de bulles dans de l'eau froide dans diverses situations (turbine, profil, crevette pistolet) Question de recherche : ...... ?
  23. 23. 23Philippe.kobel@epfl.ch Evaluons nos compétences ● (C4) Pour compléter le diagramme-modèle réalisé en conclusion, redessinez-le et rajoutez des liens (flèches) à des illustrations telles que, par exemple, une conduite convergente/divergente, une turbine, un diagramme de phase etc. Evaluez-vous à partir des critères et indicateurs suivants. Critères Indicateurs Correction/Cohérence Choix juste des illustrations reliées à différentes parties du modèle  Complétude Présence d'au moins une illustration par étape du modèle. Précision Entourage de parties clés dans les graphiques, p.ex. en entourant la partie de la conduite ou la partie du diagramme de phase concernées. Multiplicité des illustrations Plus d'un choix d'illustration par partie du modèle quand c'est possible.
  24. 24. 24Philippe.kobel@epfl.ch Introduction aux activités suivantes : La violente implosion des bulles et leur expérimentation en vol parabolique
  25. 25. 25Philippe.kobel@epfl.ch Objectifs d'apprentissage (cf. Anderson, Kratwohl, 2001) ● O5) CREER: Générer des questions de recherche testables, c'est à dire auxquelles on peut apporter des réponses par la mesure.
  26. 26. 26Philippe.kobel@epfl.ch De l'abstrait au concret: Un problème académique aux conséquences modernes ● Stokes (1819-1903) demanda à ses étudiants en 1847: "Comment évoluerait une cavité (vide) au sein d'un liquide sous l'effet de la pression de celui-ci?" Pression ORIENTATION
  27. 27. 27Philippe.kobel@epfl.ch ● Rayleigh eut une intuition en 1917: L'effondrement ("collapse") du liquide sur lui-même pourrait être suffisamment rapide et violent pour engendrer de l'érosion dans les bâteaux ORIENTATION De l'abstrait au concret: Un problème académique aux conséquences modernes
  28. 28. 28Philippe.kobel@epfl.ch ● Aujourd'hui les dégâts provoqués par les bulles de cavitation concernent de nombreuses technologies: ORIENTATION De l'abstrait au concret: Un problème académique aux conséquences modernes
  29. 29. 29Philippe.kobel@epfl.ch Questions de recherche ● (O5) Formulez des questions "testables" à poser et étudier pour relier les bulles (situation initiale) aux dégâts d'érosion causés par leur implosion? ● Vos questions sont-elles testables par des mesures (de temps, d'espace)? Si non, essayez de raffiner vos questions. CONCEPTUALISATION - Questions
  30. 30. 30Philippe.kobel@epfl.ch Questions de recherche ● On peut formuler plusieurs questions de recherche (selon les intérêts, on peut poursuivre à l'activité #3): - Quelle durée d'implosion ? - Quelle « vitesse » d'implosion ? - Comment le rayon de la bulle évolue-t-il au cours du temps ? - Déformation de bulle - Déplacement - Autres phénomènes reliés à l'implosion Approche théorique (Rayleigh et Plesset) Activité #3: Approche expérimentale CONCEPTUALISATION - Questions Activité #2
  31. 31. 31Philippe.kobel@epfl.ch Présentation de la méthode ● Approche expérimentale: On va utiliser des films de l' implosion de bulles produites en apesanteur à bord de vols paraboliques ● En s'affranchissant de la pesanteur1 (et donc sans poussée d'Archimède) il est possible de reproduire une bulle idéalement sphérique (non déformée par la poussée d'Archimède) telle que l'a imaginé Stokes ● Méthode et expérience: - laser pulsé à haute puissance pour créer des bulles - caméra haute vitesse pour les filmer - Airbus A300 permettant de réaliser des vols paraboliques INVESTIGATION - Experimentation 1 Et non de la gravité qui est une force universelle (et donc présente presque partout dans l'Univers). Voir ci-après pour comprendre comment reproduire l'apesanteur.
  32. 32. 32Philippe.kobel@epfl.chS3 Seminar 28 June 2006
  33. 33. 33Philippe.kobel@epfl.ch Principe: Apesanteur = chute libre ORIENTATION ● Au sol, vous ressentez votre poids uniquement parce que le sol vous empêche de tomber! La résistance de l'air vous fait aussi ressentir votre poids car elle freine la chute...mais que se passerait-il si on pouvait tomber "librement" en compensant la résistance de l'air? Visionnez la vidéo:
  34. 34. 34Philippe.kobel@epfl.ch Manoeuvre de vol parabolique ● 31 paraboles par vol!
  35. 35. 35Philippe.kobel@epfl.ch Les vidéos suivantes vous permettrons de sentir et comprendre les vols paraboliques : Films par l'Agence Spatiale Européenne sur les vols paraboliques : https://www.youtube.com/watch?v=MYDcqIiWN8c https://www.youtube.com/watch?v=dpK89N_oUDY Emission C'est pas sorcier sur les vols paraboliques : https://www.youtube.com/watch?v=1ZhlWS89cGs
  36. 36. 36Philippe.kobel@epfl.ch Eau Container Eclairage Caméra rapide Laser Bulle de cavitation Miroir convergent
  37. 37. 37Philippe.kobel@epfl.chDétails sur l'expérience et les données : Obreschkow et al., Exp. Fluids (2012)
  38. 38. 38Philippe.kobel@epfl.ch Téléchargement des données "Driving pressure" = pression de l'eau – pression vapeur ~ pression de l'eau INVESTIGATION - Experimentation
  39. 39. 39Philippe.kobel@epfl.ch ● Télécharger dossier .zip de cavité ● Renommer le fichier cavity0000x_..._enhanced.avi en cavity0000x_movie.avi (Regressi n'aime pas les longs noms de fichiers) ● Ouvrir dans Regressi-Regavi pour visualisation et mesures INVESTIGATION - Experimentation Visualisation des données
  40. 40. 40Philippe.kobel@epfl.ch Activité # 2 : La violente implosion des bulles – Durée et vitesse d'implosion
  41. 41. 41Philippe.kobel@epfl.ch Objectifs d'apprentissage (cf. Anderson, Kratwohl, 2001) ● O4) CREER: Générer une hypothèse. ● O6) APPLIQUER: Prendre des mesures de distance et de durée sur des films numériques (images en pixels). ● O7) APPLIQUER: Implémenter une mesure de la vitesse moyenne d'implosion de la bulle (en faisant la simplification d'une bulle parfaitement sphérique). ● O11) EVALUER: Discuter de manière critique la pertinence des résultats obtenus en lien avec une problématique.
  42. 42. 42Philippe.kobel@epfl.ch Comment mesurer la durée d'implosion Tc ? ● (O6,O7) Comment vous y prendriez-vous pour estimer la durée de vie de la bulle et la durée de son implosion (c.à.d. la durée entre le moment où elle atteint un rayon maximal et l'instant où elle collapse complètement)? ● Quelle est l'information dont vous auriez besoin pour y répondre? Cherchez dans le fichier log. INVESTIGATION - Experimentation
  43. 43. 43Philippe.kobel@epfl.ch Comment mesurer la durée d'implosion Tc ? Attention: Le temps mesuré par défaut dans Regressi correspond à la durée du film en format AVI, pas à la durée réelle du phénomène d'implosion ("collapse" en anglais) ● Durée réelle du film = "Number frames"/"Frame rate" = 600 images / 100'000 images/s = 6 ms ● Durée du film en format AVI = 27.5 s Facteur de conversion: 0.006s/27.5s = 2.18 * 10E-4 Chaque seconde du film équivaut à seulement 218 us de temps réel ● Pour cavity0005: Tc ~ 300 us Invisible à l'oeil Une caméra rapide est nécessaire! INVESTIGATION - Experimentation
  44. 44. 44Philippe.kobel@epfl.ch Comment mesurer une "vitesse" moyenne d'implosion? ● (O7) Comment pourrait-on s'y prendre pour effectuer une mesure qui caractérise la vitesse moyenne avec laquelle la bulle implose? ● Des pistes: - Vitesse implique déplacement... - Ici la bulle se déplace pas (ou peu) globalement, donc qu'est-ce qui se déplace pendant l'implosion? - Quel est le temps à considérer pour cette vitesse moyenne? - Quel est le déplacement total pendant ce temps? INVESTIGATION - Experimentation
  45. 45. 45Philippe.kobel@epfl.ch Comment mesurer une "vitesse" moyenne d'implosion? ● Rayon initial (juste avant collapse) = R0 ● Rayon final (en supposant que le liquide se referme complètement) = 0 ● Vitesse moyenne d'implosion: Vc = R0 /Tc Il faut mesurer le rayon maximal de la bulle juste avant que l'implosion commence (O7) Comment allez-vous vous y prendre? De quelle information allez-vous avoir besoin? INVESTIGATION - Experimentation
  46. 46. 46Philippe.kobel@epfl.ch Mesure du rayon maximal R0 Ouvrir fichier log ou prendre directement ces valeurs: ● Microns per pixel (horizontal) : 69.9 ● Microns per pixel (vertical) : 69.6 Mesurer le diamètre maximal de la bulle en pixel dans Regressi- Regavi: 91 pixels (+/- 1) Diamètre maximal D0 = 0.0063 m Attention au zoom dans Regressi-Regavi: Si vous zoomez d'un facteur 3, vous mesurez trois fois plus de pixels INVESTIGATION - Experimentation
  47. 47. 47Philippe.kobel@epfl.ch Vitesse de collapse Questions suscitant une investigation: ● Toutes les bulles implosent-elles avec une même vitesse moyenne? (Indice: Quelle est la cause forçant l'implosion de la bulle?) ● (O4) De quoi dépend Vc? Que se passerait-il si on diminuait la pression dans le liquide? Faites une hypothèse et la tester avec des données à différentes pressions (sous-cycle d'investigation) Note: Notre expérience a utilisé une pompe pour réduire la pression de l'eau dans le container. Vous pouvez télécharger des données à différentes "Driving pressures" CONCEPTUALISATION - Questions
  48. 48. 48Philippe.kobel@epfl.ch Vitesse moyenne de collapse V c= R0 Tc =0.914 √ ρ p Théorie de Payleigh-Plesset ● Les résultats des élèves peuvent être confirmés par un résultat théorique obtenu par Rayleigh et Plesset en se basant sur la conservation de l'énergie: (difficilement démontrable au secondaire) Liquide et paroi ~au repos Vitesse de paroi s'accroît Enérgie sous forme potentielle Enérgie cinétique augmente Enérgie potentielle diminue R 0
  49. 49. 49Philippe.kobel@epfl.ch Relions nos résultats à la problématique ● Prenez un moment vous vous remémorer la problématique qui est derrière les questions de recherches de cette activité (mesure du temps d'implosion et de la vitesse moyenne d'implosion). Voir l'Introduction aux activités 2 et 3 au sujet de la violence des bulles de cavitation. ● (O11) Les résultats que vous avez obtenus (qui répondent aux questions de recherche par des mesures) apportent-ils des informations pouvant éclaircir la problématique? - Si oui, en quoi? - Pensez-vous que ces résultats apportent une preuve de l'érosion par cavitation, ou le lien avec la problématique de l'érosion est plutôt spéculatif? DISCUSSION
  50. 50. 50Philippe.kobel@epfl.ch Relions nos résultats à la problématique ● (O11) Nos mesures apportent seulement une information sur la rapidité de l'implosion des bulles. Un phénomène rapide étant souvent plus "violent" (car emmagasine davantage d'énergie cinétique), le lien avec l'impact érosif des bulles dans les machines (ou causée par la crevette sur ses ennemis) est spéculatif. Il ne s'agit donc pas d'une preuve car nous n'avons aucune observation sur les mécanismes d'érosion et aucun modèle explicatif à l'appui. DISCUSSION
  51. 51. 51Philippe.kobel@epfl.ch Où en sommes-nous avec les objectifs? ● (O7) Quelle est la différence entre la vitesse moyenne d'implosion de la bulle que nous avons mesurée et la vitesse moyenne d'un objet tel que défini en mécanique (cinématique)? ● (O7) Nous avons choisi de suivre l'évolution d'un point particulier sur la paroi de la bulle: - Aurait-on pu choisir n'importe quel point sur la paroi? - Quelle est la simplification que l'on effectue par là (sur la forme géométrique de la bulle)? - Comment peut-on justifier cette approximation?
  52. 52. 52Philippe.kobel@epfl.ch Où en sommes-nous avec les objectifs? ● (O7) Dans le cas de la bulle cette dernière ne se déplace pas globalement (ou très peu). Ce n'est donc pas la vitessse de déplacement de la bulle que l'on mesure contrairement aux exemples vus en cinématique. Ici c'est la paroi de la bulle qui se déplace pendant l'implosion et c'est la vitesse de se mouvement que l'on mesure. ● (O7) Nous avons en effet choisi de ne mesurer le déplacement que d'un seul point sur la paroi. Ceci est valide en supposant que la bulle est parfaitement sphérique de sorte que le choix de n'importe quel autre point aurait abouti au même résultat. Cette simplification est justifiée ici car en s'affranchissant de la pesanteur la bulle n'est pas déformée par la poussée d'Archimède.
  53. 53. 53Philippe.kobel@epfl.ch Activité # 3 : La violente implosion des bulles – La dynamique de la bulle et ses conséquences
  54. 54. 54Philippe.kobel@epfl.ch Objectifs d'apprentissage (cf. Anderson, Kratwohl, 2001) ● O3) COMPRENDRE: Déduire de l'augmentation de la vitesse d'implosion ainsi que du rebond de la bulle que son contenu en gaz doit s'échauffer par compression adiabatique. ● O7) APPLIQUER: Implémenter une mesure de l'évolution de la bulle au cours du temps et en produire un graphique R(t). ● O8) COMPRENDRE: Interpréter un graphique (ici R(t) et v(t)). ● O9) ANALYSER: Synthétiser sous la forme d'un graphe légendé les différentes étapes de la vie d'une bulle de cavitation ainsi que les transformation d'énergie correspondantes. ● O11) EVALUER: Discuter de manière critique la pertinence des résultats obtenus en lien avec une problématique.
  55. 55. 55Philippe.kobel@epfl.ch Dynamique de la bulle: Evolution du rayon et vitesse Problème: L'observation des films montre que l'implosion s'accélère (la bulle implose de plus en plus vite). On aimerait pouvoir décrire ce qui se passe au cours de l'implosion (car l'augmentation de la vitesse de paroi en fin de vie est probablement liée aux dégâts d'érosion). ● (O7) Comment pourrait-on représenter le phénomène (graphiquement)? Note: Rayleigh-Plesset ont dérivé une équation différentielle du 2e ordre pour dR/dt à partir de la conservation de l'énergie, mais pas de solution close pour R(t). CONCEPTUALISATION - Questions Par des graphes de R(t) et |dR/dt| à partir des données
  56. 56. 56Philippe.kobel@epfl.ch Dynamique de la bulle: Evolution du rayon et vitesse Prendre ses mesures dans Regavi: ● Définir l'origine des axes au centre de la bulle ● Définir l'échelle: choisir diamètre maximal et indiquer sa valeur en [m] (mesuré au préalable) ● Choisir l'image de rayon maximal comme origine du temps INVESTIGATION - Experimentation
  57. 57. 57Philippe.kobel@epfl.ch Dans Regavi: ● Vous pouvez ensuite effectuer une suite de mesures de la paroi de la bulle durant le collapse en prenant une mesure par image: il suffit d'un click de souris et la mesure est prise et l'on passe à l'image suivante automatiquement. ● (O6) Comment allez-vous vous y prendre: - Où allez-vous prendre vos mesures sur la paroi de la bulle? - Quel point choisir pour que ce soit plus pratique?
  58. 58. 58Philippe.kobel@epfl.ch Dans Regavi: ● Le plus simple est de suivre un point évoluant sur l'axe des X ou Y (notés "x(t), y(t)") car ces axes vont nous guider pour placer la souris sur une ligne droite d'une mesure à l'autre. ● On pourrait aussi choisir n'importe quel autre point en essayant de clicker toujours sur le même rayon d'une image à l'autre...(il faudra alors définir la variable R à partir de x et y dans Regressi...)
  59. 59. 59Philippe.kobel@epfl.ch Importer dans Regressi (clicker sur "Regressi"): ● Choisir les variables à représenter sur le graphe (t et x)
  60. 60. 60Philippe.kobel@epfl.ch Rayon de la bulle en fonction du temps ● Problème: Regavi mesure par défaut le temps du film AVI - Comment pourriez-vous produire un graphe avec le temps réel?
  61. 61. 61Philippe.kobel@epfl.ch ● Dans "grandeurs": Ajouter des nouvelles variables ● Définir: t_réel = t * 0.000218 (facteur de conversion temps réel)
  62. 62. 62Philippe.kobel@epfl.ch Rayon de la bulle en fonction du temps
  63. 63. 63Philippe.kobel@epfl.ch Et la vitesse? ● (O7) Comment pourriez-vous ajouter des points sur le même graphique pour rendre compte de l'évolution de la vitesse? - Comment définissez vous la vitesse instantanée? - Comment est-elle reliée aux mesures de la position R(t) de la paroi?
  64. 64. 64Philippe.kobel@epfl.ch Rayon et vitesse en fonction du temps
  65. 65. 65Philippe.kobel@epfl.ch Rayon et vitesse en fonction du temps ● (O8) Que peut-on conclure de ces graphes? Sont-ils conformes à nos attentes? Les graphes confirment notre observation que la vitesse augmente en même temps que le rayon diminue. De plus, la vitesse augmente de plus en plus rapidement, c.à.d. que l'implosion s'accélère! ● Sur certains films, on peut même voir une onde de choc1 , indiquant que la paroi de la bulle atteint (au derniers instants du collapse) des vitesses supersoniques! Les phénomènes violents liés au collapse apparaissent probablement tout à la fin de la vie de la bulle, lorsque celle-ci atteint la vitesse la plus grande, mais... INVESTIGATION – Interprétation des résultats 1 Zone de liquide fortement comprimée se propageant de manière sphérique.
  66. 66. 66Philippe.kobel@epfl.ch Questions de développement: Peut-on former un trou noir? ● La vitesse de la paroi de la bulle peut-elle augmenter indéfiniment et la rayon diminuer indéfiniment? Cela produirait un trou noir!! ● (O3) Observation du film: Que devient la bulle à l'instant Tc et après? Pouvez-vous établir une analogie avec un ressort? Quels sont les points communs? ● (O3) Pourquoi la bulle rebondit-elle? Quel est l'élément de l'analogie avec le ressort qui est déterminant? ● (O3) Quelles conséquences cela peut-il engendrer sur le gaz contenu dans la bulle lors du dernier stade de collapse? (échauffement adiabatique) DISCUSSION
  67. 67. 67Philippe.kobel@epfl.ch Le phénomène de luminescence ● A la fin du collapse, la vitesse de collapse devient tellement grande que le gaz interne n'a pas le temps de se recondenser: il se trouve piégé et comprimé dans la bulle. ● Il s'échauffe adiabatiquement à des températures > 1000 °C ● La bulle brille dans le noir comme une étoile! Ce phénomène d'échauffement pourrait trouver des applications médicales pour l'activation locale de drogues anti-cancéreuses. DISCUSSION
  68. 68. 68Philippe.kobel@epfl.ch Relions nos résultats à la problématique ● (O11) Quels liens voyez-vous entre vos résultats et la problématique de l'érosion générée par l'implosion des bulles? - Quels indices les graphes de R(t) et v(t) apportent-ils? - Pensez-vous que ces résultats apportent une preuve de l'érosion par cavitation, ou le lien avec la problématique de l'érosion est plutôt spéculatif? ● Nous avons fini par observer deux phénomènes qui pourraient être susceptibles de générer des dégâts d'érosion: lesquels? - A nouveau, peut-on affirmer l'érosion est due à ces phénomènes? Sinon, pourquoi? DISCUSSION
  69. 69. 69Philippe.kobel@epfl.ch Relions nos résultats à la problématique ● (O11) Les graphes de R(t) et v(t) montrent que puisque le liquide s'accélère pendant l'implosion, c'est vers la fin de la vie de la bulle que la vitesse sera la plus élevée, donc que l'énergie cinétique sera la plus grande et aussi la plus "concentrée" (toute cette énergie sera ocncentrée dans un rayon très petit). Le lien avec la problématique originale reste toujours spéculatif (!). Ces résultats indiquent seulement "à quel moment" la bulle pourrait être la plus dangereuse mais n'apportent pas d'information sur le "comment" (par quels mécanismes les bulles génèrent de l'érosion). ● Même si nous avons finalement mis en évidence l'émission d'ondes de choc et l'augmentation de température locale de la bulle à la fin de sa vie, le lien avec l'érosion est toujours spéculatif car nous n'avons pas d'observations reliant ces phénomènes à l'érosion. Les causes de l'érosion restent débatues dans la recherche actuelle et pourraient varier selon la situation. Les causes les plus probables restent l'émission de chocs et de jet liquide par les bulles se déformant par l'effet de la gravité (voir films de bulles en 1g et 1.8g!) ou par la proximité d'une surface. Article du magazine de la recherche Suisse Horizons : http://infoscience.epfl.ch/record/90769/files/Horizons%28Cavitation%29_Sept2006.pdf DISCUSSION
  70. 70. 70Philippe.kobel@epfl.ch Où en sommes-nous avec les objectifs? ● (O7) Comparons le graphe de l'évolution du rayon en fonction du temps R(t) avec les graphes de déplacements typiques vus en mécanique: quelle différence y a-t-il? ● (O3) Pendant l'implosion de la bulle, quel type d'énergie augmente? Si l'implosion finit par ralentir et s'arrêter juste avant le rebond: sous quelle forme cette énergie s'est-elle transformée ?
  71. 71. 71Philippe.kobel@epfl.ch Où en sommes-nous avec les objectifs? ● (O7) Mêmes remarques que dans l'activité 2. Il ne s'agit pas ici du déplacement global d'un corps, mais du déplacement d'un point sur la paroi de la bulle. ● (O3) C'est l'énergie cinétique qui augmente pendant l'implosion, ou plus précisément l'énergie cinétique de tout le liquide qui s'accélère alors que la bulle se referme. On serait tenté de répondre simplement "en énergie potentielle" pour reprendre l'analogie avec le ressort qui est comprimé hors équilibre. Mais il ne faut pas oublier que si le gaz interne est fortement comprimé, ce dernier s'échauffe (sa température augmente). Donc une partie de cette énergie potentielle est transformée en énergie thermique qui se perd par rayonnement (c'est la luminescence).
  72. 72. 72Philippe.kobel@epfl.ch Evaluons nos compétences ● (C4) Synthétisez les étapes principales de l'évolution temporelle d'une bulle de cavitation en traçant l'allure "qualitative" de R(t) et v(t) (sans inclure d'échelle ni d'unité) depuis le début de l'implosion jusqu'au rebond de la bulle. Légendez ce graphe. Un exemple de légende pour le point de départ du graphe peut être: la bulle est à son rayon maximal et son énergie cinétique est nulle... Critères Indicateurs Structure chronologique Présentation dans l'ordre chronologique des évènements. Représentation correcte (qualitativement) du tracé Amplitude plus faible du rebond Forme de la courbe ressemblant aux mesures. Complétude Le texte des légendes comporte une indication sur l'évolution de la bulle et sur la transformation énergétique. Précision Les légendes sont reliées aux parties du graphique correspondantes par des flèches, p.ex. « compression du gaz et échauffement adiabatique » est associé à la fin de la vie de la bulle.

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