CRPE 2018 - Dossier Sciences et Technologie - Le Défi Flottaison - Fondements scientifiques

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CRPE 2018 - Dossier Sciences et Technologie - Le Défi Flottaison - Fondements scientifiques

Bonjour à tous,
Je me présente, Stéphane Flores, et je vous envoie ce message car j'aurai grandement besoin de l'avis de quelques personnes compétentes en Physique concernant mon dossier Sciences et Technologie.
En effet dans le cadre du CRPE, que je présente cette année 2018, j'ai choisi comme thème la flottaison dans le domaine Physique.
J'aimerais avoir votre avis concernant les fondements scientifiques et en particulier les calculs que j'ai développé moi-même.
Voici un extrait du dossier :
DÉBUT DE L'EXTRAIT
2) Définitions, principe et calculs liés à la flottaison :
- Définitions portant sur l'objet :
Matière : Substance dont sont faits les corps perçus par les sens et dont les caractéristiques fondamentales sont l'étendue et la masse. La matière se présente généralement sous trois états physiques (solide/liquide/gaz).
Solide : État de la matière dans lequel les molécules sont fortement liées les unes aux autres, et caractérisé à l'échelle macroscopique par un volume et une forme déterminés, constants en l'absence de toute force extérieure.
Forme : Ensemble des contours d'un objet, d'un être, résultant de la façon dont il est organisé.
Masse (unité : kg - symbole m) : Quantité de matière contenue dans un objet.
Poids (unité : Newton - symbole P) : Force, pression exercée vers le bas par un corps physique soumis à la gravitation. Calcul du poids : P = m x g où g représente l'intensité de la pesanteur (exprimée en Newton par kg).
Volume (unité : m³- symbole V) : Portion de l'espace à trois dimensions occupée par un corps.
Masse volumique (unité : kg/m³ - symbole ρ) : La masse volumique d’une espèce chimique correspond à la masse par une unité de volume de cette espèce. Calcul de la masse volumique : ρ = m/V.
Densité : Rapport qui existe entre la masse du volume d'un corps et la masse du même volume d'un corps de référence, dans le cadre de nos expériences, la masse du volume de l'eau pure à une température de 4°C.

- Définitions sur le phénomène de flottaison :
Flottaison : Fait de flotter, objet ou corps flottant.
Flotter : Être porté sur une surface liquide.
Couler : Tomber au fond de l'eau, sombrer.
Poussée d'Archimède : force verticale de bas en haut, à laquelle est soumis un corps plongé dans un liquide.

- Principe d'Archimède :
Également connu sous le terme de poussée d'Archimède est le principe fondamental de l'hydrostatique qui énonce que : « Tout corps plongé dans un fluide éprouve une poussée verticale, dirigée de bas en haut, égale au poids du fluide qu'il déplace et appliquée au centre de gravité du fluide déplacé, ou centre de poussée. »

- Calculs de flottaison :
Pour déterminer si un objet coule ou flotte, on oppose la poussée d'Archimède (FA) qui pousse verticalement vers le haut et le poids de l'objet (FP) qui pousse verticalement vers le bas.

1ère possibilité : le poids de l'objet est supérieur à la poussée d'Archimède (FP > FA) alors l'objet coule car poussé ver le bas.
2ième possibilité : la poussée d'Archimède est supérieure au poids de l'objet (FA > FP) alors l'objet flotte car poussé ver le haut.
3ième possibilité : les deux forces s'annulent (FA = FP), dans ce cas l'objet flotte entre deux eaux.
Nous allons maintenant analyser les composantes de ces deux forces :

La poussée d'Archimède (FA), dont l'unité est le Newton, est représentée par l'équation : FA = mf x g
mf étant la masse du fluide et g l'intensité de pesanteur.
Sachant que mf = ρf x Vf, alors FA = ρf x Vf x g ρf étant la masse volumique et Vf le volume déplacé de liquide.

Concernant le poids de l'objet, dont l'unité est le Newton, il est représenté par l'équation : FP = mP x g
mp étant la masse de l'objet et g l'intensité de pesanteur.
Sachant que mp = ρp x Vp, alors FP = ρp x Vp x g ρf étant la masse volumique et Vp le volume de l'objet.

Comparer (FA) et (FP) revient à comparer ρf x Vf x g et ρp x Vp x g soit ρf x Vf et ρp x Vp
Sachant que la densité est le rapport qui existe entre la masse du volume d'un corps (ρp) et la masse du volume de l'eau déplacé (ρf) alors on peut dire que la flottabilité d'un objet immergé dans un liquide dépend de la densité de l'objet par rapport à celle du liquide.
Un objet immergé coulera donc si sa densité est supérieure à celle du liquide ou flottera si sa densité est inférieure.

A noter que dans le cadre de ce dossier de sciences adressé à des élèves de cours préparatoire (CP-Cycle 2), l'objectif pour les élèves n'est pas de comprendre ni de démontrer le principe d'Archimède mais de définir les propriétés d'un solide qui ont un impact sur la flottaison, les propriétés abordées étant la matière, la masse et la forme. Ils découvriront ces propriétés en utilisant la démarche d'investigation et en réalisant des expérimentations.
FIN DE L'EXTRAIT
Tous les commentaires sont les bienvenus et je vous remercie d'avance pour vos futures réponses,
Stéphane Flores