Sciences Comment peut-on se déplacer dans un fluide ?





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date de publication14.10.2019
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Sciences

Comment peut-on se déplacer dans un fluide ?








1 – Force de poussée d’Archimède

Tout corps plongé dans un fluide (gaz, liquide) au repos, subit de la part de ce fluide

une force de poussée verticale, dirigée vers le haut dont l’intensité est égale au poids

du volume de fluide déplacé. Le point d’application de cette force est le centre de poussée C.

Le centre de poussée est situé au centre de gravité du liquide déplacé par la partie immergée.




2 – Equilibre d’un corps flottant

A l’équilibre, le poids et la force de poussée se situent

sur une même droite d’action et ont la même intensité.

Hors équilibre, l’objet est soumis à un couple de forces.

L’objet reprend sa position d’équilibre initial si le point M

est au dessus du point G.

3 – Pression et force pressante

La pression est le rapport de la valeur de la force pressante F (en N) par l’aire de la surface pressée S(en m2) :

p = la pression s’exprime en pascal (Pa)

Le pascal (Pa) est l’unité de pression du système international . D’autres unités sont couramment utilisées :

- le bar : 1 bar = 105 Pa ;

- l’atmosphère : 1 atm = 101325 Pa ;

- le p.s.i : 1 p.s.i = 6894 Pa ;

La force pressante s’exerce perpendiculairement à la surface pressée.

Dans un liquide, la pression est la même en tous les points situés à la même profondeur.

La pression de l’air qui nous entoure est la pression atmosphérique.

4 - Principe fondamental de l’hydrostatique

L
hB

B...

hA

.....A
a différence de pression entre deux points d’un liquide au repos

est donnée par la relation : pA – pB = g(hA – hB)

les pressions sont exprimées en pascal (Pa) ;


liquide de masse volumique 
(rhô) est la masse volumique du liquide en kilogramme par mètre cube (kg/m3) ;

g est l’intensité de la pesanteur en newton par kilogramme (N/kg) ;

hA et hB sont les profondeurs des points A et B en mètre (m) ;

5 – L’effet Venturi

L’effet Venturi indique qu’au sein d’un fluide, l’accroissement de la vitesse s’accompagne d’une diminution de la pression.

La poussée d'Archimède

Pourquoi certains objets flottent-ils alors que d'autres coulent ?

Eurêka ! (en grec : J'ai trouvé) est le cri que lança le savant grec Archimède quand il résolut ce mystère et formula la loi de la poussée d'Archimède.

Mais quelle est cette loi ?

Matériel : 2 Solides de forme cylindrique - Dynamomètre - Une éprouvette graduée - Une balance - de l'eau

Détermination de la masse volumique de l'eau

Peser l'éprouvette vide puis l'éprouvette avec 10 ml d'eau. En déduire la masse de 10 ml d'eau, de 1 ml d'eau , de 1 l d'eau puis la masse volumique de l'eau en kg/m3

Mesures avec le cylindre métallique

Suspendre le cylindre au dynamomètre et relever la valeur indiquée :

Quelle est la force mesurée ? Quelles sont ces caractéristiques ?

Remplir l'éprouvette jusqu'à la moitié. Relever le volume d'eau :

Le cylindre étant suspendu au dynamomètre, l'immerger complètement.

Relever le volume d'eau indiqué :

en déduire le volume, la masse puis le poids de l'eau déplacée

:



Relever la valeur indiquée par le dynamomètre. Que mesure-t-il ?

Mesures avec le cylindre en plastique

Le cylindre n'est qu'en partie immergé. Effectuer les mêmes mesures.

Poussée d'Archimède

En interprétant les résultats des expériences ci-dessus, donner les caractéristiques de la poussée d'Archimède qui s'exerce sur les solides immergés ou partiellement immergés :

Conditions de flottabilité

Lester progressivement le tube en plastique jusqu'à ce qu'il reste en équilibre "entre deux eaux".

Déterminer son volume :

Peser le cylindre :

Calculer sa masse volumique :

En déduire la condition de flottabilité d'un solide posé sur l'eau :

Flottabilité sur d'autres liquides

Une huile végétale a pour masse volumique h = 800 kg/m3.

Le tube en plastique, lesté de façon à être en équilibre dans l'eau, flotte-t-il ou coule-t-il dans l'huile ?

Le mercure est un métal à l'état liquide dans les conditions "normales" de température et de pression (20°C et 1 atm).

Un fer à repasser posé dessus flotte. Que doit-on en penser ?

Comment la pression d’un liquide varie-t-elle en fonction de la profondeur ?

Plongée en apnée sans limite

En plongée en apnée sans limite, l'autrichien Herbert Nitsch a établi un nouveau reccord le 28 août 2007 avec 214 m.

Les plongeurs protégent leurs tympans avec des bouchons en mousse et leurs yeux avec des lentilles.

1) Pourquoi ces précautions ? De quoi se protègent-ils ?

2) Au bord d’une piscine on vous confie la mission de mesurer la variation de pression en fonction de la profondeur.

a. De quel matériel avez-vous besoin ?

b. Comment procédez-vous à ces mesures ?

Variation de pression au sein d’un liquide

Vous disposez d’un manomètre électronique (sonde+console+ordinateur), d’une éprouvette graduée et d’eau.

1) Installation

a. Alimentez la console. Reliez-y l’ordinateur avec le cordon USB et la sonde manométrique. Allumez l’ordinateur. Cliquez sur Atelier scientifique et configurez le matériel comme indiqué sur la notice.

b. Remplissez l’éprouvette jusqu’à 2 cm du bord.

2) Mesures :

a. mesurez la pression P0 à la surface de l’eau : P0 =

b. mesurez la pression PA à 5 cm de profondeur : PA =

b. mesurez la pression PB à 10 cm de profondeur : PB =

b. mesurez la pression PC à 20 cm de profondeur : PC =

3) Exploitation:

a. Effectuer les calculs suivants :

=

  =

=

b. D’après les résultats précédents, vous pouvez affirmer que

 La pression augmente avec la profondeur

 La pression diminue avec la profondeur

 La pression est proportionnelle à la profondeur

 La pression est inversement proportionnelle à la profondeur

c. Conjecturez la valeur de la pression

- à 30 cm de profondeur :

- à 214 m de profondeur :

4) Quelle conclusion tirez-vous du travail que vous venez de faire ?

Plongée sous-marine

Selon Wikipedia :

"La plongée sous-marine consiste en général à rester sous l'eau, le plus souvent en s'équipant d'un scaphandre autonome spécifique

Le facteur principal influant sur l'organisme humain en plongée est la pression exercée par l'eau. Celle-ci augmente avec la profondeur : alors que nous sommes soumis à une pression d'environ 1 bar à l'air libre au niveau de la mer (pression atmosphérique), le poids de l'eau au-dessus du plongeur immergé soumet celui-ci à une pression additionnelle d'environ 1 bar tous les 10 mètres en eau de mer et environ 0,98 bar tous les 10 mètres en eau douce.

Par exemple, à 25 mètres de profondeur, un plongeur est soumis à 3,5 bars de pression totale (1 bar de pression atmosphérique et 2,5 bars de pression hydrostatique); cette pression inhabituelle pour un être humain adapté au milieu terrestre va provoquer différents phénomènes, que le plongeur doit connaître et gérer sous peine de mettre sa santé (voire sa vie) en danger."

Quel phénomène physique est à l'origine des risques lors d'une séance de plongée ?

Pourquoi la pression augmente-t-elle moins vite avec la profondeur en eau douce comparativement à l'eau salée ?

"L'air contenu dans les différentes cavités du corps (oreille moyenne, sinus, appareil respiratoire…) voit son volume varier de manière inversement proportionnelle à la pression ambiante.

Les accidents dus aux variations anormales de pressions dans les organes creux sont appelés des barotraumatismes. Lors de la descente, l'air contenu dans l'oreille moyenne du plongeur est en dépression par rapport au milieu ambiant, ce qui crée une déformation du tympan."

L'air contenu dans l'oreille voit-il son volume augmenter ou diminuer lors de la descente ?

Le tympan a-t-il tendance à rentrer dans l'oreille ou a en sortir ?

" L'augmentation de la pression ambiante cause la dissolution des gaz. Lorsqu'un gaz se trouve en contact avec un liquide, il va s'y dissoudre progressivement jusqu'à atteindre une limite proportionnelle à la pression. Si la pression augmente, de plus en plus de gaz se dissout dans le liquide. Si la pression diminue doucement, du gaz reflue sous forme dissoute ou de micro-bulles. Si la pression diminue très rapidement, le gaz s'échappe de manière explosive et forme des bulles au sein du liquide (exemple de la bouteille de soda au moment de l'ouverture)."

Le corps humain est essentiellement constitué de liquide, et est donc soumis au même phénomène d'absorption et de restitution des gaz. Lors de la remontée, si la pression baisse trop rapidement - comme pour la bouteille de soda - des bulles pathogènes vont se former dans l'organisme. Suivant la localisation de leur apparition, ces bulles peuvent entraîner notamment des accidents circulatoires, des paralysies, des douleurs articulaires, que l'on regroupe sous le terme d'accidents de décompression. "

Quel est l'origine d'un accident de décompression ?

Risque-t-on cet accident en plongeant ou en remontant ?

Que peut-on faire pour l'éviter ?

.

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