Seconde – Sciences Physiques et Chimiques Réflexions 2ème Partie

Seconde – Sciences Physiques et Chimiques
Réflexions
2ème Partie : La pratique du sport – Chapitre 10
Histoire de ne pas se mettre la pression… sur la pression
Les fluides et plus particulièrement les gaz se propagent un peu partout : une odeur se répand, et les tsunamis
attestent malheureusement des difficultés rencontrées pour faire barrage à l’eau.
Jusqu’à Galilée (1564-1642), la raison invoquée tient en l’aphorisme1 d’Aristote « la Nature a horreur du vide ».
Aristote, oui, encore lui… nous avons déjà parlé – en mécanique – de l’importance des idées aristotéliciennes
dans le dogme « scientifique » d’avant la Renaissance. Et nous avons déjà insisté sur l’importance du recours à
l’expérience dans l’histoire des sciences : ce sont les fontainiers de la ville de Florence qui vont pousser à la
révolution scientifique.
Un simple problème de tuyaux…
A la suite des travaux des puisatiers de Florence, Galilée fait le constat selon lequel il n’est pas possible de
pomper l’eau d’un puits à une profondeur de plus de 18 brasses (une dizaine de mètres – à l’aide d’une pompe
aspirante). L’explication nourrissait tous les fantasmes, dont celui que le vide disposait d’une force qui
empêchait l’eau de monter au-delà de la dizaine de mètres…
Le vieux père de la physique moderne s’éteindra sans avoir le temps d’apporter une explication raisonnable.
En 1630, un disciple de Galilée, Gian Battista Baliani, propose une idée différente : si l’eau s’élève dans un tube
cylindrique, cela est dû à l’air atmosphérique qui appuie sur la surface de l’eau en contact avec elle (ce qu’on
appelle la surface libre) ; il s’établit alors un équilibre entre l’eau située dans le tube, au-dessus de la surface
libre, et l’atmosphère qui pèse de tout son poids sur cette surface.
Mais pourquoi l’eau s’arrête-t-elle de monter lorsqu’elle atteint une hauteur de plus de 10 mètres ? L’eau qui
s’élève dans le tube a tendance à redescendre sous l’action de son poids ; les deux actions, celle de
l’atmosphère et celle de l’eau dans le tube, s’équilibrent…
Vous ne vous n’étiez pas rendu compte, mais l’atmosphère est toujours pesante !
Et la Nature n’a plus horreur du vide…
En juin 1644, deux autres disciples de Galilée, Evangelista Torricelli et son assistant Viviani, ont l’idée de
remplacer l’eau par du mercure qui, à volume égal, pèse beaucoup plus lourd (14 fois plus de fait). Ils
retournent alors un tube plein de mercure sur un récipient rempli du même métal – qui est le seul métal à être
1
Sentence ou réflexion énoncée en peu de mots.
1
Seconde – Sciences Physiques et Chimiques
Réflexions
2ème Partie : La pratique du sport – Chapitre 10
liquide à température ambiante, soit dit en passant. Le mercure s’élève à environ 76 centimètres dans le tube.
Torricelli fait alors l’hypothèse que l’espace laissé libre au sommet du tube est vide : la nature tolèrerait donc,
au final, l’existence du vide !
L’expérience sera reprise en France, en 1646, par Blaise Pascal et Pierre Petit. Pascal la reprendra encore avec
d’autres fluides et, pour satisfaire les besoins techniques de cette expérience, ira jusqu’à confectionner des
tubes de verre de plus de 12 mètres de haut !
Expérience 1
Ecraser une bouteille d’eau et refermez-la.
 Pourquoi la bouteille reste-t-elle écrasée ?
Expérience 2
Récupérer une canette de boisson métallique vide, et la remplir de vapeur d’eau en la plaçant, renversée, audessus d’une casserole d’eau bouillante (attention à ne pas se brûler !). Au bout de quelques minutes, plonger
la canette toujours renversée dans un bac d’eau froide : la canette s’écrase littéralement !
 Pourquoi ?
Expérience 3
 Que se passe-t-il lorsqu’on « fait le vide » sous la cloche ?
Bon, il reste tout de même à vérifier également par l’expérience que le poids de l’atmosphère situé au-dessus de
la surface libre du mercure est bien responsable de l’ascension du métal liquide dans le tube. L’expérience est
alors faite devant témoins, en 1648, au sommet du puy de Dôme, par le beau-frère de Pascal, Florin Périer. La
hauteur du mercure dans le tube est alors plus faible : elle confirme ainsi la théorie, puisqu’il y a moins d’air
atmosphérique au-dessus de nos têtes à mesure que l’on prend de l’altitude.
Vers 1650, Pascal est en Auvergne et il constate que la hauteur du mercure varie avec les conditions
météorologiques. Ce constat sera rapidement réinvesti pour la fabrication du baroscope (1664) puis du
baromètre (1665) de Robert Boyle.
Il faut mettre la pression
Reprenons quelques instants le tube plein d’eau renversé sur un bac du même liquide.
Doublons la surface libre en contact avec l’atmosphère : la hauteur d’eau dans le tube ne change pas. La
surface en contact avec l’atmosphère a doublé, le poids de l’air situé au-dessus de cette surface a par
conséquent lui aussi doublé. Puisque la hauteur d’eau est restée la même, cela indique que la grandeur
déterminante n’est ni le poids, ni la surface, mais le rapport des deux : la pression.
La pression p est définie localement à partir de la force pressante F et de la surface S sur laquelle elle s’exerce.
D’une façon simple, c’est le rapport
2
Seconde – Sciences Physiques et Chimiques
Réflexions
2ème Partie : La pratique du sport – Chapitre 10
p
F
S
où p s’exprime en pascals (Pa) du moment que F est en newtons (l’unité du dynamomètre) et que S est en m².
Au sein d’un fluide, la pression est la même à une profondeur donnée ; elle ne dépend que de la quantité de
fluide située au-dessus du point considéré, et on ressent bien cet effet lorsqu’on plonge au fond d’une piscine.
Vases de Pascal ou vases communicants
Pour un gaz, il en est de même : la pression de l’air atmosphérique au niveau du sol est due au poids de la
colonne d’air au-dessus du sol, soit une colonne d’une dizaine de kilomètres ; cette hauteur varie peu si l’on
reste près du sol, mais il n’en va pas de même au sommet du Mont Blanc !
D’une façon générale, à force égale, la pression est d’autant plus faible que la surface sur laquelle se répartit
cette force est grande : c’est l’intérêt de marcher sur la neige avec des raquettes, ou de faire du patin à glace, ou
encore de se coucher sur une planche à clous… mais avec beaucoup de clous : pourquoi ?
Aïe… ça ne manque de piquant !
Hergé, Tintin au Tibet (1960)… sur les traces du Yéti
Pascal comprend que les liquides, incompressibles, transmettent la pression d’un point à un autre : un liquide
dans un tuyau souple va transmettre la force qu’il subit d’une extrémité du tuyau à l’autre. Ce principe est
encore mis en œuvre aujourd’hui dans bon nombre d’applications : freins d’un véhicule, machines
hydrauliques.
Quelle est l’origine de la force pressante ?
Puisqu’un fluide prend la forme du récipient qui le contient, il appuie sur les parois de ce récipient. La force
qu’il exerce sur ce récipient est donc répartie sur toute la surface de contact.
Dans le cas d’un liquide dans un verre, l’atmosphère exerce une pression à la surface fluide du liquide ; elle
transmet cette pression au niveau de cette surface par l’intermédiaire des chocs des particules atmosphériques
avec celles de l’eau à la surface libre.
3
Seconde – Sciences Physiques et Chimiques
Réflexions
2ème Partie : La pratique du sport – Chapitre 10
Chaque particule qui constitue le fluide se déplace à une vitesse importante et heurte plusieurs milliards de
fois par seconde les parois du récipient qui le contient. Chaque collision avec la surface exerce une force
minuscule, mais la démesure du nombre de particules fait que la force totale qu’exerce le fluide sur ces parois
est notable et prend le nom de force pressante. La force pressante s’exerce toujours perpendiculairement à la
surface considérée, elle est dirigée du fluide vers cette surface.
Un comportement régi par des lois ?
Robert Boyle conteste vivement les notions aristotéliciennes concernant les quatre éléments ; il perfectionne
l’expérience de Torricelli et établit l’une des premières lois qui rend compte du comportement des gaz.
A température constante, le volume occupé par un gaz est inversement proportionnel à sa pression ; cette lois
sera prouvée de manière indépendante par le Français Edme Mariotte en 1676. Finalement, les deux noms sont
associés à cette proposition, et la loi s’énonce habituellement ainsi : le produit de la pression par le volume
d’un gaz ne dépend que de la température.
Enigme : pourquoi, après avoir une fois le couvercle du congélateur, il est plus difficile de le rouvrir une
deuxième fois ?
Au fil du temps, d’autres relations entre pression, volume et température d’un gaz vont être établies,
notamment par Gay-Lussac ou Avogadro. C’est Clapeyron qui combinera les différentes propositions pour
formuler, en 1834, une loi qui lie pression, température et quantité d’un gaz, en indiquant que cela reste
possible sous réserve de conditions : il venait de donner naissance à un modèle des gaz.
Décrire le comportement d’un gaz réel n’est pas chose simple : toutes les particules qui le constituent sont en
mouvement aléatoire, elles heurtent les parois du récipient, elles interagissent entre elles et avec les parois. La
situation est souvent inextricable.
Imaginons au contraire un gaz constitué de particules très petites comparées aux distances qui les séparent,
sans interaction entre elles ni avec les parois (sauf lors des chocs), et la situation est idéale : c’est un gaz parfait.
En première approximation, l’air à pression atmosphérique et température ambiante peut être considéré
comme un gaz parfait, avec des résultats tout à fait satisfaisants.
 Ouverture sur les machines thermodynamiques… En avant, Denis Papin !
4