Qu'est-ce que la force flottante? Origines, principes, formules
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La flottabilité est la force qui permet aux bateaux et aux ballons de plage de flotter sur l'eau. Le terme force de flottabilité fait référence à la force dirigée vers le haut qu'un fluide (liquide ou gazeux) exerce sur un objet qui est partiellement ou complètement immergé dans le fluide. La force de flottabilité explique également pourquoi nous pouvons soulever des objets sous l'eau plus facilement que sur terre.
Points clés à retenir: force flottante
- Le terme force flottante fait référence à la force dirigée vers le haut qu'un fluide exerce sur un objet qui est partiellement ou complètement immergé dans le fluide.
- La force flottante provient des différences depression hydrostatique - la pression exercée par un fluide statique.
- Le principe d'Archimède stipule que la force de flottabilité exercée sur un objet qui est submergé partiellement ou complètement dans un fluide est égale au poids du fluide qui est déplacé par l'objet.
Le moment Eurêka: la première observation de la flottabilité
Selon l'architecte romain Vitruve, le mathématicien et philosophe grec Archimède a découvert la flottabilité au 3ème siècle avant JC. tout en perplexe sur un problème posé par le roi Hiéron II de Syracuse. Le roi Hiéro soupçonnait que sa couronne d'or, faite en forme de couronne, n'était pas en fait d'or pur, mais plutôt un mélange d'or et d'argent.
Apparemment, tout en prenant un bain, Archimède a remarqué que plus il s'enfonçait dans la baignoire, plus l'eau en coulait. Il a réalisé que c'était la réponse à sa situation difficile, et s'est précipité à la maison en criant "Eurêka!" ("Je l'ai trouvé!") Il a ensuite fabriqué deux objets - un or et un argent - qui avaient le même poids que la couronne, et déposa chacun dans un récipient rempli à ras bord d'eau.
Archimède a observé que la masse d'argent faisait sortir plus d'eau du navire que l'or. Ensuite, il a observé que sa couronne "en or" faisait sortir plus d'eau du vaisseau que l'objet en or pur qu'il avait créé, même si les deux couronnes avaient le même poids. Ainsi, Archimède a démontré que sa couronne contenait en effet de l'argent.
Bien que ce conte illustre le principe de la flottabilité, il peut être une légende. Archimède n'a jamais écrit l'histoire lui-même. En outre, dans la pratique, si une petite quantité d'argent était effectivement échangée contre de l'or, la quantité d'eau déplacée serait trop petite pour être fiable..
Avant la découverte de la flottabilité, on pensait que la forme d'un objet déterminait s'il flotterait ou non.
Flottabilité et pression hydrostatique
La force flottante provient des différences de pression hydrostatique - la pression exercée par un fluide statique. Une balle placée plus haut dans un fluide subira moins de pression que la même balle placée plus bas. En effet, il y a plus de fluide, et donc plus de poids, agissant sur la balle lorsqu'elle est plus profonde dans le fluide.
Ainsi, la pression en haut d'un objet est plus faible que la pression en bas. La pression peut être convertie en force en utilisant la formule Force = Pressure x Area. Il y a une force nette pointant vers le haut. Cette force nette - qui pointe vers le haut quelle que soit la forme de l'objet - est la force de flottabilité.
La pression hydrostatique est donnée par P = rgh, où r est la densité du fluide, g est l'accélération due à la gravité et h est la profondeur à l'intérieur du fluide. La pression hydrostatique ne dépend pas de la forme du fluide.
Le principe d'Archimède
le Le principe d'Archimede indique que la force de flottabilité exercée sur un objet qui est submergé partiellement ou complètement dans un fluide est égale au poids du fluide qui est déplacé par l'objet.
Ceci est exprimé par la formule F = rgV, où r est la densité du fluide, g est l'accélération due à la gravité et V est le volume de fluide qui est déplacé par l'objet. V n'est égal au volume de l'objet que s'il est complètement immergé.
La force de flottabilité est une force ascendante qui s'oppose à la force descendante de gravité. L'ampleur de la force de flottabilité détermine si un objet va couler, flotter ou augmenter lorsqu'il est immergé dans un fluide.
- Un objet coulera si la force gravitationnelle agissant sur lui est supérieure à la force de flottabilité.
- Un objet flottera si la force gravitationnelle agissant sur lui est égale à la force de flottabilité.
- Un objet se lèvera si la force gravitationnelle agissant sur lui est inférieure à la force de flottabilité.
Plusieurs autres observations peuvent également être tirées de la formule.
- Les objets immergés qui ont des volumes égaux déplaceront la même quantité de fluide et subiront la même ampleur de force de flottabilité, même si les objets sont faits de matériaux différents. Cependant, ces objets auront un poids différent et flotteront, s'élèveront ou couleront.
- L'air, qui a une densité environ 800 fois inférieure à celle de l'eau, subira une force de flottabilité beaucoup moins importante que l'eau.
Exemple 1: un cube partiellement immergé
Un cube d'un volume de 2,0 cm3 est immergé à mi-chemin dans l'eau. Quelle est la force de flottabilité ressentie par le cube?
- Nous savons que F = rgV.
- r = densité de l'eau = 1000 kg / m3
- g = accélération gravitationnelle = 9,8 m / s2
- V = la moitié du volume du cube = 1,0 cm3 = 1,0 * 10-6 m3
- Ainsi, F = 1000 kg / m3 * (9,8 m / s2) * dix-6 m3 = .0098 (kg * m) / s2 = .0098 Newtons.
Exemple 2: un cube entièrement immergé
Un cube d'un volume de 2,0 cm3 est complètement immergé dans l'eau. Quelle est la force de flottabilité ressentie par le cube?
- Nous savons que F = rgV.
- r = densité de l'eau = 1000 kg / m3
- g = accélération gravitationnelle = 9,8 m / s2
- V = le volume du cube = 2,0 cm3 = 2,0 * 10-6 m3
- Ainsi, F = 1000 kg / m3 * (9,8 m / s2) * 2,0 * 10-6 m3 = 0,0196 (kg * m) / s2 = 0,0196 newtons.
Sources
- Biello, David. «Réalité ou fiction?: Archimède a inventé le terme« Eurêka! dans le bain." Scientifique américain, 2006, https://www.scientificamerican.com/article/fact-or-fiction-archimede/.
- "Densité, température et salinité." Université d'Hawaï, https://manoa.hawaii.edu/exploringourfluidearth/physical/density-effects/density-temperature-and-salinity.
- Rorres, Chris. "La couronne d'or: Introduction." Université d'État de New York, https://www.math.nyu.edu/~crorres/Archimedes/Crown/CrownIntro.html.
