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article Une modélisation simple des mouvements isostatiques     -    publié le 22/09/2017

Isostasie - Terminale S - Modélisation. Mise en évidence d’une racine crustale ou pas...

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• Contexte de l’élaboration du modèle

Nous avions besoin d’un montage permettant de visualiser en classe les mouvements isostatiques, quelque chose que les élèves pourraient manipuler simplement sans autre aide que leur logique face à un relief à représenter.
Il existe bien des animations sur le net, mais la démarche d’investigation qui en découle est limitée et est surtout très éloignée du contexte manipulatoire que nous recherchions ici (voir par exemple l’outil de simulation Isostasy).

Les exemples de modèles analogiques mimant les équilibres isostatiques sont maintenant assez nombreux sur la toile, nous nous en sommes bien évidemment inspirés.

  • Nous avons testé des montages utilisant des pièces de bois (1/4 de rond) de longueurs et de densités différentes s’enfonçant dans des éprouvettes remplies d’eau. Les élèves manipulaient en binôme, sur 2 éprouvettes mais le bois avait tendance à se coller à la paroi en verre ce qui amenait parfois à des observations contradictoires. En outre, le matériel à prévoir en nombre de morceaux de bois est conséquent (les élèves doivent avoir du choix...)
  • Une autre tentative utilisait des chevilles en bois. Afin de modifier leur densité, certaines étaient creusées (disposées trou vers le haut, la bulle d’air qu’elles renferment les allège), d’autres non. La hauteur de la colonne de roche dépendait du nombre de chevilles entassées. Chaque binôme expérimentait cette fois dans 6 tubes à essais sur portoir. Ils étaient remplis d’un même volume d’eau. Mais là encore, des résultats contradictoires survenaient au deuxième essai (les chevilles de bois mouillées n’ont plus la même densité et se collent souvent au tube).
  • Nous avons ensuite travaillé avec des petits tasseaux déposés à la surface d’un bêcher de 500 ml rempli de pâte Slime® . La dynamique du mouvement observable nous a tout de suite séduit, l’enfoncement est lent (contrairement aux montages utilisant l’eau). Le niveau de référence (altitude zéro) permettant de comparer l’enfoncement des tasseaux parait fixe à l’œil nu (contrairement au liquide déplacé vers le haut quand le bois s’enfonce dans les tubes de verre). En outre, ce substrat ductile nous semble représenter bien plus avantageusement l’asthénosphère que l’eau. Enfin, nous utilisons à nouveau la pâte Slime® en guise d’asthénosphère, plus tard dans la progression, quand nous abordons la géothermie (voir "un modèle analogique simple pour expliquer la forme du géotherme").

• La fabrication du modèle

- Le matériel

Au total, quatre personnes ont participé à l’élaboration définitive du modèle, Mme Supervie et moi même par les nombreux tests effectués en situation avec les élèves, mais aussi M. Heurtebise et M. Bouvet par leurs idées judicieuses sur le matériel adéquat à utiliser.

Matériel modèle isostasie

- Nous avons trouvé le contenant idéal pour notre pâte Slime® , une petite boîte plastique (voir photo matériel) qui remplit exactement la base de nos portoirs métalliques à bain-marie, en hauteur comme en largeur.
- Des tubes à hémolyse sont remplis avec des hauteurs variables de farine ou de craie (rouge) pour simuler les différentes hauteurs de colonnes de roches.
- La farine étant moins dense que la craie, on retrouve notre deuxième paramètre variable, la densité.
- La teneur en PVA (alcool polyvinylique) de la pâte Slime® est ajustée en fonction du remplissage et de l’enfoncement des tubes (entre 10 et 12%).

- Préparation de la pâte Slime®

- Le Slime® est une pâte gluante composée de polymères et de borax.
- La "recette" qui suit provient du site Eduscol Culturesciences chimie
- C’est le PVA en poudre qui donne la densité du Slime® (10%).
- Il est important d’avoir un PVA avec une masse molaire supérieure à 80000 g/mol pour avoir un bon Slime®, celui que nous avons utilisé pour nos tests de concentration est à M > 130 000 g/mol

  • Solution aqueuse d’alcool polyvinylique :
    1. Chauffer 100 mL d’eau à 80°C (ne pas porter l’eau à ébullition) dans un Erlenmeyer de 250 mL.
    2. Ajouter très lentement 10 à 12 g (à ajuster en fonction des tubes)) d’alcool polyvinylique (PVA) à l’eau chaude tout en agitant vigoureusement la solution. La solution doit être homogène (Cela dure environ 30 minutes).
    3. Une fois homogène, faîtes refroidir la solution à température ambiante (en s’aidant éventuellement d’un bain d’eau froide).
  • Solution de tétraborate de sodium (appelé également borax) :
    Préparer environ 10 mL d’une solution aqueuse contenant 400 mg de borax par dissolution. La solution obtenue est une solution dite saturée, c’est-à-dire que l’on ne peut pas solubiliser davantage ce solide dans l’eau. Elle est conservée dans ce bécher.
  • Préparation du Slime®
    Ajouter lentement la solution de borax à la solution aqueuse de PVA tout en agitant à l’aide d’une baguette en verre ou d’une spatule. Cela prend en masse : c’est le Slime® !
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