Poussée d’Archimède : Cours et exercices corrigés TD TP EXAMENS
Poussée d’Archimède : Cours et exercices corrigés
La poussée d’Archimède est la force particulière que subit un corps plongé en tout ou en partie dans un fluide (liquide ou gaz) soumis à un champ de gravité. Cette force provient de l’augmentation de la pression du fluide avec la profondeur. La pression étant plus forte sur la partie inférieure d’un objet immergé que sur sa partie supérieure, il en résulte une poussée globalement verticale orientée vers le haut. C’est à partir de cette poussée qu’on définit la flottabilité d’un corps.
Formulation du théorème d’Archimède
« Tout corps plongé dans un fluide au repos, entièrement mouillé par celui-ci ou traversant sa surface libre, subit une force verticale, dirigée de bas en haut et opposée au poids du volume de fluide déplacé ; cette force est appelée poussée d’Archimède. »
Pour que le théorème s’applique il faut que le fluide immergeant et le corps immergé soient au repos. Il faut également qu’il soit possible de remplacer le corps immergé par du fluide immergeant sans rompre l’équilibre, le contre-exemple étant le bouchon d’une baignoire remplie d’eau : si celui-ci est remplacé par de l’eau, il est clair que la baignoire se vide et que le fluide n’est alors plus au repos. Le théorème ne s’applique pas puisque nous sommes dans un cas où le bouchon n’est pas entièrement mouillé par le liquide et ne traverse pas sa surface libre.
Une fois les conditions précédentes respectées, dans un champ de pesanteur uniforme, la poussée d’Archimède PA est donnée par la formule suivante :
Où Mf est la masse du fluide contenu dans le volume V déplacé, et g la valeur du champ de pesanteur.
Si la masse volumique ρ du fluide est elle aussi uniforme, on aura :
Ou encore, si l’on considère les normes des forces :
La poussée d’Archimède PA s’exprimera en newton (N) si la masse volumique ρ est en kg/m3, le volume de fluide déplacé V en m3 et la valeur de la pesanteur g en N/kg (ou m/s2).
Corps flottants
Un corps solide immergé dans un liquide en équilibre est soumis à deux forces verticales et de sens contraires : son poids P⃗ et la poussée d’Archimède FA.
Remarque : On suppose que le corps solide est homogène. Dans ce cas, son centre de gravité et son centre de poussée se confondent.
Trois cas peuvent se présenter :
1- Le poids est plus grand que la poussée d’Archimède. Le corps va descendre vers le bas
P > FA | or : P = m · g = ρcorps · V · g et FA = ρliq. · g · V
⇔ ρcorps · g · V > ρliq. · g · V
⇔ ρcorps > ρliq
Si la masse volumique d’un corps est plus grande que la masse volumique du liquide dans lequel le corps est plongé, le corps va descendre vers le bas (il va couler).
2- Le poids est plus petit que la poussée d’Archimède. Le corps va monter vers le haut.
P < FA ⇔ ρcorps < ρliq
Si la masse volumique d’un corps est plus petite que la masse volumique du liquide dans lequel le corps est plongé, le corps va monter à la surface du liquide (il va nager).
3- Le poids est égal à la poussée d’Archimède. Le corps va rester entre deux eaux.
P = FA ⇔ ρcorps = ρliq.
Si la masse volumique d’un corps est égale à la masse volumique du liquide dans lequel le corps est plongé, le corps va flotter, c’est-à-dire il ne va ni descendre vers le bas, ni monter vers le haut.
Point d’application
Tout se passe comme si la poussée d’Archimède s’appliquait au centre de carène, c’est-à-dire au centre de gravité du volume de fluide déplacé.
Cette caractéristique est importante pour le calcul de la stabilité d’un sous-marin en plongée ou d’un aérostat : sous peine de voir l’engin se retourner, il est nécessaire que le centre de carène soit situé au-dessus du centre de gravité.
Pour ce qui est d’un navire, en revanche, le centre de carène est souvent situé au-dessous du centre de gravité (par exemple pour une planche à voile). Cependant, lorsque la pénétration de l’objet dans le fluide évolue, le centre de carène se déplace, créant un couple qui vient s’opposer au mouvement. La stabilité est alors assurée par la position du métacentre, qui est le point d’application des variations de la poussée. Ce métacentre doit se trouver au-dessus du centre de gravité.
De façon anecdotique, on peut remarquer que les concepteurs de sous-marins doivent s’assurer simultanément de deux types d’équilibres pour leurs engins.
Utilisations de la Poussée d’Archimède
Ce principe est utilisé par l’homme et dans la nature.
Exemples :
- Les bateaux sont construits tels que le poids de l’eau déplacé (et donc la poussée d’Archimède) est supérieur au poids du bateau. Bien qu’un bateau est construit de matériaux lourds (fer, …), donc à masse volumique élevée, sa masse volumique moyenne est inférieure à celle de l’eau. En effet, il faut considérer la masse volumique moyenne du bateau, et cette dernière est relativement faible (< 1000 kg/m3), comme le bateau contient surtout de l’air (ρair = 1, 29 kg/m3).
- La poussée d’Archimède d’un sous-marin est constante. Si on veut descendre le sousmarin, il faut donc augmenter son poids, ce qui est fait en remplissant sa double-paroi extérieure par de l’eau (on remplace l’air dans cette double paroi par de l’eau ce qui fait augmenter la masse volumique moyenne à une valeur supérieure à celle de l’eau. Si on veut monter à la surface, il faut de nouveau remplacer l’eau dans la double-paroi par de l’air. A cette fin, des réservoirs à air comprimé se trouvent à bord. Enfin, pour rester entre deux eaux, on remplit la chambre d’air avec autant d’eau pour que le poids soit exactement égal à la poussée d’Archimède. Dans ce cas, la masse volumique moyenne du sous-marin est exactement égale à celle de l’eau
- Les poissons peuvent descendre ou monter dans l’eau grâce à leur vessie natatoire („Schwimmblase”). Ce sac est rempli de dioxygène (O2), de dioxyde de carbone (CO2) et de diazote (N2). Certains poissons absorbent de l’air pour contrôler le volume de gaz qu’ils ont dans leur vessie natatoire. Si le volume d’air augmente, la masse volumique moyenne du poisson diminue (en effet, sa masse reste constante, mais son volume augmente), et le poisson monte vers le haut. Inversement, ils peuvent évacuer rapidement du gaz pour descendre. D’autres poissons contrôlent le volume de gaz grâce à des processus physiques et chimiques (échange de gaz avec le sang, …)
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