TPp 5 La physique des sous

TP de Physique 5
Chapitre n°3 (Forces macroscopiques s’exerçant sur un solide)
LA PHYSIQUE DES SOUS-MARINS
ÉTUDE DE LA POUSSÉE D’ARCHIMÈDE
Objectifs :
Étudier les caractéristiques d’une nouvelle force
Faire l’inventaire des forces qui s’exercent sur un objet
Savoir mesurer la valeur d’une force à l’aide d’un dynamomètre
Modéliser les forces de frottement fluide
Archimède est un savant grec qui vécut à Syracuse (Sicile) de
287 av. J.-C. à 212 av. J.-C. Il est connu pour ses multiples
travaux scientifiques, théoriques ou pratiques, que ce soit en
mathématiques ou en physique, il est généralement considéré
comme le plus grand mathématicien de l'Antiquité.
Archimède est mort pendant le siège de Syracuse où il a été tué
par un soldat romain qui a agi malgré les ordres qui
demandaient de ne pas nuire à Archimède. La tombe
d'Archimède est surmontée d'une sphère inscrite dans un
cylindre. Archimède avait démontré que la sphère représentait
les deux tiers du volume et de la surface du cylindre (en
comptant les bases de celui-ci), ce qui est considéré comme la
plus grande de ses réalisations mathématiques.
Parmi ses travaux en physique, son Traité des corps flottants jette les bases de ce qui sera plus tard la
science nommée hydrostatique. C'est notamment dans cet ouvrage qu'il étudie avec rigueur
l'immersion d'un corps, solide ou fluide, dans un fluide de densité inférieure, égale ou supérieure. Le
théorème qui portera plus tard le nom du savant y est ainsi énoncé (ce théorème fut ensuite démontré
au XVIe siècle).
Un sous-marin est un navire capable de se déplacer dans trois dimensions, en surface et sous l'eau ;
il se distingue ainsi des autres bateaux et navires qui se déplacent uniquement à la surface, et des
bathyscaphes qui ne se déplacent que selon l'axe vertical.
Nous allons essayer de comprendre comment fonctionne un sous-marin, comment il peut à volonté
plonger et remonter à la surface. Pour cela il faut déterminer les forces qui s’exercent sur le sousmarin.
I. ÉQUILIBRE DU SOUS-MARIN DANS L’EAU : ÉTUDE DE LA POUSSÉE
D’ARCHIMÈDE
Un sous-marin peut être plongé dans l’eau ou alors rester à la surface, dans les deux cas l’eau exerce
une force sur le sous-marin, c’est la poussée d’Archimède. Tous le monde a déjà ressenti cette force,
il suffit de se baigner, on a la sensation d’être plus « léger » dans l’eau. Comment peut-on modéliser
cette force ? Pour répondre à cette question nous allons modéliser le sous-marin par un poids
métallique.
Expérience n°1: poussée d’Archimède
À l’aide d’un dynamomètre, peser successivement un même objet métallique, d’une part
lorsqu’il est suspendu dans l’air, d’autre part lorsqu’il est totalement immergé dans l’eau sans
être en contact avec les parois du récipient.
Mesurer également le volume d’eau déplacé lors de l’immersion totale du solide.
1. Faire le diagramme solide/interactions dans les deux situations.
2. Faire le schéma en représentant les forces dans les deux situations.
3. On considère la situation où l’objet est dans l’eau, quelle relation lie les différentes forces ?
4. Que peut-on dire de la direction et du sens de la poussée d’Archimède ?
5. Calculer la valeur de la poussée d’Archimède.
6. Comparer cette valeur au poids de l’eau déplacée.
7. Exprimer par une phrase le théorème d’Archimède.
8. Revenons maintenant au sous-marin, imaginons qu’il soit à l’équilibre à la surface de l’eau,
représentez-le ainsi que les forces s’exerçant sur lui.
9. Comment va-t-on procéder pour faire plonger le sous-marin ?
II. SOUS-MARIN EN PLONGÉE : FORCES DE FROTTEMENT FLUIDE
Le sous-marin remplit ses ballasts, il plonge, quel est alors son mouvement dans l’eau ?
Expérience n°2 : étude qualitative
Remplir une éprouvette graduée avec de l’huile.
Déposer à la surface de l’huile à l’aide d’une pipette Pasteur une goutte de permanganate de
potassium.
1. Quel semble être le mouvement de la goutte dans le référentiel terrestre ?
2. Comment l’expliquer ?
Expérience n°3 : étude quantitative
Déposer une petite bille en verre à la surface de l’huile.
À l’aide d’un chronomètre, mesurer le temps de parcours de la bille entre les graduations
250mL et 200mL puis entre 100mL et 50mL.
3. Que peut-on dire du mouvement de la bille ?
4. Calculer le poids de la bille.
5. Calculer la poussée d’Archimède qui s’applique sur la bille lors de sa chute ( ρ huile = 920 g.L-1 ) .
6. Quelle est la relation entre les différentes forces ?
7. En déduire la valeur de la force de frottement fluide.
8. Représenter ces forces sur un schéma.
9. Quel est le travail de la résultante des forces entre le haut et le bas de l’éprouvette ?
10. Quel est le travail de la force de frottements entre le haut et le bas de l’éprouvette ?