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 XVI
e
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 sous-
marin.
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.