Selon la poussée d’Archimède, « tout corps plongé dans un fluide subit une poussée verticale dirigée de bas en haut égale au poids du volume de fluide déplacé. »
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Poussée d’Archimède : l’étonnant pouvoir de la masse volumique
Le principe de cette loi physique est simple : quand on plonge un objet dans l’eau, l’eau exerce sur cet objet une force verticale (FA)dirigée vers le haut qui s’oppose au poids de l’objet, lui-même verticalement attiré vers le bas car soumis à la force de pesanteur (Fp) ou force d’attraction gravitationnelle. Ainsi, pour qu’il puisse y avoir poussée d’Archimède, il faut que la pression exercée sur l’objet immergé soit égale au poids du volume de fluide déplacé par l’objet. Si la force verticale (FA) est supérieure au poids de l’objet (Fp), l’objet flottera (FA > Fp). À l’inverse, si la pression de la force verticale (FA) est inférieure au poids de l’objet (Fp), l’objet coulera. (FA p)
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Le principe d’Archimède répond directement au principe des actions réciproques (dite 3e loi de Newton) selon lequel « tout corps exerçant une force sur un autre corps subit une force d’intensité égale, de même direction mais de sens opposé. »
Une formule mathématique vieille de plus de 2 200 ans
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En langage mathématique, cela se traduit par la formule suivante : pA = p x V x g où :
- p = masse volumique du fluide (kg/m³)
- V = volume de fluide déplacé (m³)
- g = accélération gravitationnelle (9,81 m/s²)
Cette loi physique explique donc pourquoi les bateaux flottent à la surface de l’eau, malgré leur poids. Idem s’agissant des montgolfières, qui parviennent à s’élever dans les airs. Car l’air aussi est un fluide, au sens de la physique. Ainsi, une montgolfière flotte dans l’air comme un bateau flotte dans l’eau.
La poussée d’Archimède appliquée aux sous-marins
Prenons le cas d’un sous-marin : lorsqu’un sous-marin est émergé, le poids du volume d’eau qu’il déplace en étant à la surface est égal à sa masse. Il flotte. Pour s’immerger, il ferme ses purges et emplit ses ballasts (réservoirs situés entre la coque épaisse et la coque légère) d’eau. Plus lourd, le submersible commence alors doucement à s’enfoncer, la poussée d’Archimède devenant inférieure à son poids. Une fois entièrement immergé, il équilibre alors son poids, afin de rester stable. On dit alors que le sous-marin est « entre deux eaux ».
Pour remonter à la surface, le sous-marin procède selon le même principe, cette fois-ci inversé. Il ferme donc ses purges, puis injecte de l’air comprimé dans ses ballasts. L’eau chassée, le sous-marin, s’allège, et émerge alors progressivement. La poussée d’Archimède devenant supérieure à son poids. Il en va ainsi, jusqu’à ce qu’il remonte à la surface.
Pour la montgolfière (inventée en France par les frères Montgolfier en 1783), le procédé (le fait d’augmenter ou de diminuer la masse volumique de l’objet plongé dans un fluide : eau ou gaz) est identique, à la différence près qu’il s’agit de chauffer l’air capturé dans l’enveloppe de la montgolfière pour pouvoir prendre de la hauteur, car l’air chaud est moins dense que l’air froid.
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