Poussée d'Archimède et corps flottants

Corps flottants
Auteurs : Equipe La main à la pâte(plus d'infos)
Résumé :
D'après la collection Libres Parcours, Ed. Hachette (1980). Document produit par l'Association Tour 123
Publication : 30 Juin 1999

Dans un liquide

Un morceau de verre lâché sous l'eau tombe au fond. Au contraire un bouchon de liège lâché de la même façon remonte; arrivé à la surface il flotte (voir : densité) . Lorsqu'un objet flotte, la poussée d'Archimède qu'il subit est égale au poids de cet objet. Une partie de l'objet se trouve dans l'eau on dit que cette partie est immergée. L'autre partie sort de l'eau : on dit qu'elle émerge.

Quelques exemples de corps flottant à la surface de l'eau :

Les icebergs : ils sont formés de morceaux de glace venus des glaciers polaires. La masse volumique de cette glace est plus petite que celle de l'eau de mer. Quand l'iceberg flotte, sa partie immergée a un volume neuf fois plus grand que celui de la partie émergée. La partie immergée est dangereuse pour les bateaux car elle est grosse et on ne voit pas sa forme.

Les bateaux : si un bateau peut flotter, c'est que la poussée d'Archimède que l'eau exerce sur lui est égale au poids du bateau. Si le poids du bateau est grand, le bateau s'enfonce beaucoup; il occupe la place d'un grand volume d'eau : alors la poussée d'Archimède est assez grande et est égale à son poids. La coque du bateau a un grand volume. Comme cette coque est creuse, son poids n'est pas trop grand, même si les substances qui servent à faire le bateau ont une grande densité.
Un bateau flotte-t-il toujours de la même façon?
Lorsqu'une péniche n'est pas chargée, elle s'enfonce très peu dans l'eau. Quand on charge la péniche son poids augmente. Elle s'enfonce de plus en plus dans l'eau. La partie immergée de la péniche devient plus grande. La poussée d'Archimède augmente donc et reste toujours égale au poids de la péniche.

Le sous-marin : c'est un bateau capable de naviguer sous l'eau. Il possède de grands réservoirs, les ballasts, qui sont remplis d'eau quand le sous-marin descend. Pour que le sous-marin remonte, on envoie de l'air comprimé qui chasse l'eau des réservoirs. Le volume du sous-marin change donc très peu, la poussée d'Archimède ne change presque pas. Mais le poids du sous-marin diminue quand les réservoirs se vident d'eau et se remplissent d'air.

Le bathyscaphe : c'est un véhicule destiné à explorer les mers.
Il comprend un flotteur et, en dessous, une petite partie réservée à l'habitation. Il est équipé de moteurs électriques. Il doit pouvoir rester à une profondeur précise. Son volume est constant. Pour monter ou descendre, il faut changer de poids. Dans le flotteur il y a des réservoirs qui contiennent de l'essence. La masse volumique de l'essence est plus petite que celle de l'eau. Cette essence permet donc à l'appareil de flotter.
Pour descendre on fait rentrer de l'eau de mer dans les réservoirs du flotteur. Le poids augmente.
Le bathyscaphe possède du lest formé de petits morceaux de fer retenus par un électro-aimant. Quand on coupe le courant, le fer n'est plus attiré par l'électro-aimant et se détache. Le poids diminue, l'appareil remonte.

Dans un gaz

Certains ballons flottent dans l'air. Ils ont un grand volume et sont gonflés avec un gaz moins dense que l'air.

Ballon-sonde : l'enveloppe et les instruments seuls ne peuvent flotter. Pour lancer le ballon, on gonfle l'enveloppe avec de l'hydrogène ou de l'hélium, gaz de masses volumiques bien plus faibles que celle de l'air. Le volume devient très grand mais le poids augmente très peu. Le ballon monte. A une très haute altitude, qui peut être de quelques dizaines de kilomètres, l'enveloppe éclate, les instruments tombent. Pour éviter qu'ils ne soient cassés, on les a munis de parachutes.

Montgolfière : c'est une grande enveloppe ouverte vers le bas; on fait entrer de l'air chaud dans l'enveloppe. Son volume augmente. La poussée d'Archimède augmente. L'air chaud est moins dense que 1'air froid, le poids de la montgolfière devient plus petit que la poussée d'Archimède, le ballon monte. Dans les montgolfières modernes on place dans la nacelle un dispositif de chauffage (gaz propane), qui permet de régler la température de l'air de l'enveloppe par rapport à la température extérieure. On commande ainsi les mouvements en altitude.