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VIDEO - Comment flottent les bateaux? La poussée d'Archimède expliquée

Comment se fait-il que les énormes tankers remplis de containers flottent tranquilles sur l’eau alors qu’une toute petite pièce de monnaie tombe au fond de la fontaine dans laquelle elle est jetée? Et comment il fait, Nemo, pour nager entre deux eaux? Pour vous l’expliquer dans ce nouvel épisode de PopScience, nous avons demandé de l’aide aux élèves du Gymnase Provence à Lausanne

Eurêka. Archimède, savant grec ayant vécu entre -287 et -212, aurait eu une illumination en faisant déborder l’eau de son bain: il a compris que tout corps plongé dans un liquide en ressort mouillé. Mais ce n’est pas pour ça qu’il aurait crié «Eurêka!» dans les rues de Syracuse…. Dans son bain, Archimède comprend en fait que:

«Tout corps plongé dans un liquide subit de la part de ce liquide une poussée de bas en haut égale au poids du volume de liquide déplacé par ce corps»

Ce n’est pas super intuitif comme énoncé, alors pour mieux comprendre, on va faire une petite expérience: si vous plongez une bouteille vide dans l’eau, vous avez du mal à l’enfoncer, c’est comme si l’eau résistait.

L’eau exerce en effet une pression ou une poussée de bas en haut sur la bouteille. Cette pression, nous dit Archimède, est égale au poids du volume d’eau déplacé par la bouteille qu’on a plongée dans le bac. Ici, ce volume déplacé correspond au volume d’eau qui a débordé, dans ce second bac.

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Cette pression de l’eau est contrebalancée par le poids de l’objet qui est plongé dans l’eau.

Reprenons notre expérience: pour plonger la bouteille vide dans l’eau, vous avez dû la pousser. C’est en fait votre force qui le pousse du haut en bas, et qui contrebalance la pression de l’eau, dirigée vers le haut.

Mais si vous relâchez la bouteille, si vous n’exercez plus aucune force, elle ne coule pas, elle remonte! C’est parce que la bouteille est en fait si légère qu’elle ne compense pas la poussée de l’eau autour d’elle.

Autrement dit, le poids de la bouteille vide est plus faible que le poids du volume d’eau qu’elle déplace. Du coup, elle va flotter!

Ce qui n’est pas le cas de la pièce de monnaie! Comme elle n’est pas creuse et qu’elle est très dense, son poids est supérieur au poids du tout petit volume d’eau qu’elle déplace. Du coup, elle coule.

C’est ce principe d’Archimède qu’utilisent les ingénieurs pour faire flotter les bateaux ! Pour qu’un objet flotte, comme des os d'humains dans Rick et Morty, il faut que son poids soit égal à la poussée de l’eau, ou encore une fois, égal au poids du volume d’eau déplacé par le bateau. En somme, il faut que les forces s'équilibrent.

Leur astuce pour y parvenir c'est de remplir les bateaux d'air, car l'air est particulièrement léger. Les coques des gros tankers ou des paquebots sont remplies d’air, de sorte que leur poids n'excède pas la poussée de l’eau, même s’ils sont chargés de centaines de containers. Évidemment, dès que le bateau prend l’eau, comme dans Titanic, là ça flotte beaucoup moins bien...

La preuve par l’expérience: Si on remplit notre bouteille avec de l’eau, bien plus dense et donc bien plus lourde que l’air, elle va peu à peu se mettre à couler…

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Le type de liquide va avoir son importance. Si le liquide est lourd, par exemple de l'eau très salée, alors elle porte davantage l'objet, comme notre bouteille pleine dans notre bac d'eau salée.

Et Nemo? Comment fait-il pour changer de profondeur comme il le souhaite? Il ne devient pourtant pas plus ou moins lourd?

Et bien si! Les poissons ont un corps plus dense que l'eau, ils ont donc tendance à couler. Mais l’évolution a trouvé une solution: la vessie natatoire. C’est une poche d’air, une sorte de poumon qui leur permet de réguler leur flottabilité. En la remplissant, ils peuvent remonter en surface. En la vidant, ils peuvent plonger dans les profondeurs.

Notez que c’est exactement ce principe qu’utilisent les sous-marins. Leur flottaison est contrôlée grâce à des sortes de réserves d’air, qui sont remplies pour maintenir l’engin en surface, et vidées, quand c’est le moment de plonger.

Pour aller plus loin. La poussée d'Archimède n’existe pas que dans l’eau, elle est vrai pour tous les fluides, et notamment l’air qui nous entoure. C’est ce principe qu'on utilise pour faire décoller une montgolfière. Tant que le gaz contenu dans le ballon est plus léger  que l' air ambiant, alors la montgolfière décolle. C’est notamment le cas si le ballon est rempli d’hélium.

Tableau de bord climat

Un suivi interactif des grands indicateurs du dérèglement climatique et de ses solutions.