comment concevoir un prototype de sous-marin

COMMENT CONCEVOIR UN PROTOTYPE DE SOUS-MARIN ?
Présentation : Concevoir un sous-marin pour en découvrir le principe de fonctionnement
entraîne un ensemble de problèmes à résoudre. Il est nécessaire de dissocier ces
problèmes pour les aborder un à un.
Remarques : En cycle 1 ou en cycle 2, les élèves ont déjà travaillé sur les principes de
flottaison et ont normalement des pré-requis sur le sujet.
Objectifs :
- Initier à la recherche de solutions techniques pour découvrir le principe de
fonctionnement des sous-marins.
– Mettre en œuvre une démarche scientifique et technologique
– Construire des connaissances relatives à la flottaison.
Plan de séquence :
Situations de départ possibles
Lecture d'un texte pour sensibiliser les élèves au
problème à résoudre.
(Vingt Mille Lieues sous les mers)
Problème ou Cahier des charges Concevoir un prototype de sous-marin qui puisse
successivement :
- 1 couler de lui-même
- 2 remonter à la surface sans qu'on le touche
Problème 1
Chercher une solution pour faire couler le sous marin.
Hypothèses des enfants
- Mettre un objet lourd à l'intérieur de la bouteille
Représentations des élèves
(sable, cailloux, pâte à modeler)
- accrocher un objet lourd sous la bouteille
- poser la bouteille sur l'eau pour qu'elle se remplisse
d'eau.
Test des propositions
La bouteille ne coule pas
Conclusions
- la bouteille n'est pas assez lourde
- l'air l'empêche de couler : (nécessité de percer des
trous sous la bouteille et sur la bouteille)
Problème 2
Chercher une solution pour faire remonter le sous
marin à la surface
Hypothèses des enfants
Représentations des élèves
- mettre des flotteurs
- envoyer de l'air
Test des propositions
Il est plus simple d'injecter de l'air dans la bouteille
Conclusions
L'air allège la bouteille et la fait remonter à la surface
Déroulement : Au cycle 3 il est souhaitable de mettre les élèves en situation de recherche
avant d'expérimenter.
A/ Problème 1
1- Première étape :
Consignes : dans le cahier d'expériences ou sur une affiche :
Par binômes
–
–
–
représenter le sous marin posé sur la surface de l'eau ( une simple
bouteille d'eau)
à l'aide d'un petit texte proposer une solution pour le faire couler de luimême
lister le matériel nécessaire à l'expérimentation
2- Deuxième étape :
Exposer les solutions imaginées au tableau (textes et dessins)
Confronter les propositions
3 - Troisième étape :
–
–
–
Expérimenter
4 – Quatrième étape : Synthèse
Pour que le sous-marin puisse couler il est nécessaire qu'il soit plus lourd
que l'eau.
– Pour l'alourdir il faut qu'il puisse se remplir d'eau. Cela suppose que l'air
puisse s'échapper (nécessité de percer des trous sous la bouteille et sur
la bouteille)
– Il est souhaitable d'ajouter un lest sous au dans la bouteille.
–
B/ Problème 2
1- Première étape :
Consignes : dans le cahier d'expériences ou sur une affiche :
représenter le sous marin posé au fond de l'eau
– à l'aide d'un petit texte proposer une solution pour le faire remonter à la
surface
– lister le matériel nécessaire à l'expérimentation
–
2- Deuxième étape :
–
–
Exposer les solutions imaginées au tableau (textes et dessins)
Confronter les propositions
3 - Troisième étape :
– Expérimenter
4– Quatrième étape : Synthèse dans le cahier d'expériences :
Pour que le sous-marin puisse remonter à la surface il est nécessaire
qu'il soit plus léger que l'eau.
Solutions: Remplacer l'eau contenue dans la bouteille par de l'air plus léger
–
en soufflant directement dans la bouteille à l'aide d'une paille ou d'un
tuyau.
–
Extrait du manuel : 64 expériences pour apprendre les sciences, Magnard cycle 3.
Percer pour
permettre à l'air de
s'échapper
Lest : pâte à
modeler
Tube ou
paille
–
En envoyant de l'air dans un ballon de baudruche placé dans la
bouteille.
Comment ça marche un sous-marin ?
1- Animation flash à ouvrir avec un navigateur (Internet Explorer, Mozilla Firefox...) :
http://www2.cslaval.qc.ca/cdp/UserFiles/File/previews/sousmarin_ii.swf
2- Pour en savoir plus :
La navigation sous-marine a tenté les
hommes depuis des siècles. Les progrès
de la technique l'ont rendu possible. Elle
obéit à deux grands principes, les
principes de Pascal et d'Archimède, qui
s'appliquent à tous les corps immergés.
Le principe de Pascal
Plus on descend, plus la pression augmente.
Sur la surface d'un corps immergé, s 'exerce une pression, en bars, perpendiculaire à cette
surface, dirigée vers l'intérieur et égale au nombre de dizaines de mètres d'immersion.
Ainsi, à l'immersion de 100 mètres s'exerce une pression de 10
bars (appliquée sur l cm2) par rapport à la pression
atmosphérique. Toute augmentation de 10 mètres de profondeur
s'accompagne d'une augmentation de pression de 1 bar. Appliqué
au sous-marin, ce principe permet de comprendre que les forces
croissantes qui s'exercent sur la coque, tendent à l'écraser. La
« coque épaisse » abrite le personnel et le matériel. Elle est
construite en acier très résistant. Son épaisseur est calculée en fonction de l'immersion
maximum prévue par le programme militaire du bâtiment.
Approximativement, pour une augmentation de 100 mètres de
la profondeur d'immersion maximale, il faudrait augmenter
l'épaisseur de la "coque épaisse" de 10 millimètres afin de
compenser les efforts dûs à l'accroissement de la pression. Par
contre certains éléments extérieurs du sous-marin, tels les
ballasts ou les soutes, sont maintenus pleins de liquide, en
communication avec la mer, lorsque le sous-marin est en
plongée. Les pressions des deux côtés des parois s'équilibrent.
Il n'est pas nécessaire dans ce cas de les construire en tôles
épaisses, donc lourdes. Leur épaisseur varie de 5 à 10
millimètres.
Le principe d'Archimède
Tout corps plongé dans un liquide reçoit de la part de ce liquide une poussée verticale dirigée
de bas en haut, égale au poids du volume de liquide déplacé.
Le sous-marin dans l'eau de mer est soumis à deux forces :
- son poids, appliqué au centre de gravité (G), force verticale dirigée
de haut en bas. Elle tend à faire descendre le sous-marin.
- la poussée d'Archimède, appliquée au centre du volume immergé
(C), force verticale dirigée vers le haut. Elle tend à faire remonter le
sous-marin. L'équilibre est obtenu quand le poids de l'eau déplacée,
c'est à dire la poussée, correspond au poids du sous-marin.
Considérons le sous-marin en surface. Les ballasts sont totalement
vides d'eau de mer. La partie supérieure émerge. Le sous-marin
flotte, il est donc en équilibre. Le poids du volume d'eau déplacé est
bien égal au poids du sous-marin. Si l'on ouvre la purge des ballasts,
ils se remplissent d'eau. Le sous-marin s'alourdit et s'enfonce. Le
poids du volume d'eau supplémentaire déplacé, qui correspond à une augmentation de même
valeur que la poussée, est égal au poids de l'eau contenue dans les ballasts. Un nouvel
équilibre statique est donc obtenu. A chaque volume d'eau ajoutée, le sous-marin s'enfonce un
peu plus et trouve un nouvel équilibre.
En immersion maximale les ballasts sont totalement pleins d'eau de mer. Si l'on vide les
ballasts en remplaçant l'eau de mer par de l'air contenu dans des bouteilles d'air situées à
l'intérieur du sous-marin. Le poids du sous-marin diminue du poids du volume d'eau évacué
des ballasts : la poussée, que l'on appelle aussi déplacement en plongée, est supérieure au
poids du bâtiment. Le sous-marin est "léger", il remonte jusqu'à ce que la valeur de la poussée
diminuant avec la hauteur de l'immersion, on obtient un nouvel équilibre poids/poussée.
On dit que le sous-marin flotte toujours entre deux eaux
Si le poids du sous-marin devenait plus élevé que la poussée qu'il reçoit, il coulerait au fond de
la mer et ne pourrait plus remonter (c'est pourquoi dès la conception du sous-marin il faut
étudier avec précision son poids pour définir le volume des ballasts et éviter ainsi que le sousmarin ne sombre). Or, le volume des ballasts, arrêté à la construction, est constant. Il faut
donc régler le poids du sous-marin lui même en fonction des ballasts pour que l'on puisse
toujours obtenir l'égalité Poids=Poussée. Cette opération appelée "la pesée", est réalisée lors
des premiers essais à la mer. Mais il ne suffit pas que le sous-marin soit en équilibre statique.
Il faut aussi qu'il puisse naviguer droit et qu'il puisse rester dans cette position.
Trois données entrent alors en jeu :
L'assiette d'un sous-marin définit son inclinaison
longitudinale. C'est l'angle alpha que fait le fond du sousmarin avec l'horizontale. Elle dépend de la position du centre
de gravité c'est à dire de la répartition des poids dans la
coque, par rapport au centre de poussée.
Si le sous-marin est trop chargé à l'arrière, il s'incline, l'angle
alpha est positif l'assiette est positive. Inversement s'il est
trop chargé à l'avant, l'assiette est négative. Si alpha est nul,
le bâtiment est horizontal. Il est en assiette zéro.
La gîte d'un sous-marin définit son inclinaison transversale.
C'est l'angle B que fait l'axe longitudinal du plan transversal
avec la verticale.
Si le sous-marin est trop chargé à bâbord, il s'incline vers la
gauche on dit qu'il y a de la gîte sur bahord. De même s'il est
trop chargé à tribord, il y a de la gîte sur tribord.
La stabilité d'un sous-marin est la qualité qu'il possède dc revenir en assiette zéro (position 1'
horizontale) et sans gîte, lorsqu'il est écarté de cette position pour une raison quelconque:
houle, mouvement de poids à l'intérieur du sous-marin, etc... Pour une meilleure stabilité, il
faut abaisser au maximum le centre de gravité et pour cela, il importe de placer les
installations les plus lourdes dans les fonds du sous-marin. Ainsi, lorsqu'il navigue, le sousmarin subit constamment des variations de poids, dues notamment à la consommations dc
vivres dc carburants (variations en -), ou à des entrées accidentelles d'eau de mer ( variations
en +). Il subit aussi des variations de centre de gravité, par exemple si tout l'équipage se
déplace en même temps vers l'avant du bateau pour une séance de cinéma On doit donc en
permanence effectuer la 'pesée du sous-marin" c'est à dire l'ensemble des opérations qui
concourent à rétablir l'égalité Poids=Poussée, pour faire naviguer le bâtiment en plongée en
assiette zéro et sans gîte. Pour cela il dispose dc caisses à eau spécifiques (régleurs,
compensateur, caisses d'assiette).
(Source : Plaquette d'information DCN Cherbourg)