Patrick Delhalt (MNHN), Jean-Paul Bertemes (FNR), FreeLens TV
Vidéo de l’expérience
Le principe d'Archimède
Lorsqu’un objet est plongé dans un liquide, celui-ci exerce une force sur l'objet, appelée poussée d’Archimède, dirigée verticalement vers le haut et d’intensité égale au poids du liquide déplacé par l'objet.
Couler, flotter entre deux eaux, monter
A l’intérieur d’un liquide un objet est soumis à 2 forces : Son poids (l'attraction terrestre) et la poussée d’Archimède. Ces deux forces agissent verticalement, la première vers le bas et la deuxième vers le haut.
Si on lâche un objet dans un liquide, il va monter, ou bien flotter entre deux eaux, ou bien encore couler, selon que la poussée d’Archimède est plus grande que le poids, que les deux forces sont d’intensités égales, ou que la poussée d’Archimède est plus petite que le poids.
L'expérience
Le ludion est rempli en partie avec de l'eau, telle que la poussée d’Archimède soit légèrement plus grande que le poids.
En appuyant sur la bouteille, la pression à l'intérieur augmente. De cette façon, un peu plus d'eau entre dans le ventre du ludion. (L'air est compressible !) Le poids du ludion augmente et devient plus grand que la poussée d’Archimède : le plongeur coule.
Dès qu'on arrête d’appuyer sur la bouteille, la pression reprend la valeur initiale. L'air comprimé dans le ventre du ludion chasse l'eau supplémentaire et reprend son volume initial. Le poids du plongeur redevient plus faible que la poussée d’Archimède et le plongeur remonte.
Tuyau: Une personne qui ne connaît pas ce phénomène de physique se fait facilement avoir: on peut lui faire croire qu'on puisse diriger le ludion simplement avec sa force mentale. Tenez la bouteille dans les deux mains et demandez aux spectateurs de se concentrer sur le plongeur. Pressez discrètement sur la bouteille et le plongeur coulera.
Pourquoi un bateau flotte-t-il?
Tout d'abord : Qu'est-ce qui se passe avec un objet entièrement plongé dans un liquide dans le cas où la poussée d’Archimède est supérieure au poids? L'objet monte jusqu'à ce qu'une partie émerge du liquide. Le volume immergé ayant diminué de même que la poussée d’Archimède, celle-ci est alors exactement compensée par le poids de l’objet. L'objet se trouve en l'équilibre.
Un bateau flottant se trouve en l'équilibre. Sa poussée d’Archimède doit compenser son poids. Le bateau est donc immergé suffisamment, pour que le poids de l'eau déplacée corresponde exactement au poids du bateau.
Ceci est possible, car le bateau est creux et déplace beaucoup plus d'eau que ne le ferait, un corps non-creux constitué de tous les matériaux du bateau, comprimés à leur plus petit volume. Les grands bateaux en acier peuvent donc flotter sans problème, car ils sont creux et déplacent assez d'eau pour que la poussée d’Archimède équilibre et le poids.
Que se passe-t-il si le bateau est chargé davantage et que son poids augmente ?
Dans ce cas, le bateau s’immerge un peu plus dans l'eau, déplace donc plus d'eau et la poussée d’Archimède augmente. Il s’établit un nouvel équilibre entre la poussée d’Archimède et le poids.
Auteurs: André Mousset (MNHN), Patrick Delhalt (MNHN)
Vidéo: Patrick Delhalt (MNHN), Jean-Paul Bertemes (FNR), FreeLens TV
Infobox
Archimède fut un naturaliste grec il y a plus de 2000 ans. Le roi Hiéron II le chargea de vérifier si sa couronne était constituée d’or pur. Et la couronne ne dut pas être détruite.
Selon la légende, Archimède eut une idée salutaire en prenant son bain. En entrant dans la baignoire rempli à ras bord, une partie de l'eau déborda. Il remarqua que le volume de l'eau débordée correspondait exactement au volume de son corps.
Afin de résoudre le problème posé par le roi, il posa d’abord la couronne, puis un lingot d'or avec le même poids dans un récipient rempli à ras bord avec de l'eau et il mesura le volume de l'eau débordée. Il se trouva que la couronne déplaça plus d'eau que le lingot d'or, bien que leur poids fût identique. Par conséquent, Archimède sut que le matériau de la couronne eut une masse volumique inferieure à celle de l'or, et que la couronne ne put donc pas être constituée d’or pur.
En tout point d’un liquide règne une certaine pression. La cause en est que le poids du liquide au-dessus presse sur le liquide en dessous. Plus la profondeur du point est grande, plus la couche de liquide au-dessus est épaisse, et plus la pression en ce point est importante.
En plongeant un objet complètement dans un liquide, le liquide exerce des forces pressantes sur toute surface de l'objet: sur la surface supérieure il agit une force pressante vers le bas, sur la surface inférieure une force vers le haut, sur le côté gauche une force vers la droite, etc.
Puisque la surface supérieure est moins profonde dans le liquide (pression plus petite) que la surface inférieure (pression plus grande), la force pressante dirigée vers le bas est plus faible que celle dirigée vers le haut. La résultante de ces deux forces est donc toujours orientée vers le haut !
Les forces pressantes latérales s'équilibrent, car pour chaque point se trouvant d’un côté, il existe un point de l'autre côté à exactement la même profondeur (donc à la même pression).
