1.
Pourquoi on flotte ?
Qu'est-ce qui explique les différences de sensation au niveau de la flottaison
dans l'eau douce ou l'eau de mer ?
La densité de l'eau qui est fonction de la concentration en
sel. Selon le principe d'Archimède, un corps flotte si sa densité moyenne est
inférieure à celle de l'eau. Plus l'eau est dense, plus il est facile de
flotter. Par exemple, on flotte dans la mer morte parce que l'eau de la mer
Morte est beaucoup plus dense que l'eau douce et que l'eau des océans. Elle
contient près de 275 g de sels par litre, notamment du chlorure de sodium (sel
commun), du magnésium, du calcium, du potassium et du bromure de potassium. En
moyenne, l'eau de mer n'en contient que 35 g/l.
D'ailleurs, on flotte mieux dans la mer que dans un lac d'eau douce. Cela est
particulièrement apparent pour les masses importantes. Les bateaux, par
exemple, ne peuvent pas être aussi chargés dans l'eau douce que dans l'eau de
mer, sinon ils risqueraient de couler !
2.
Qu'est ce que le principe d'Archimède?
Selon la légende, le roi de Syracuse, cité où vivait
Archimède au IIIéme siècle av. J-C, avait commandé une couronne
d'or. Quand on la lui donna, il craignit d'avoir été volé et qu'on eût mélangé
à l'or une certaine quantité d'argent. Il décida de consulter Archimède, qui
commença à réfléchir au problème. Les Anciens avaient l'habitude d'aller aux
bains publics pour méditer. A peine Archimède se fut-il mis dans l'eau qu'il
eut une idée lumineuse... Il sortit tout nu dans la rue en criant: "Eurêka!
Eurêka!". Qu'avait donc trouvé Archimède ? Tout simplement, la manière de
mesurer le volume et la densité de la couronne et donc de n'importe quel corps
solide insoluble. Si un homme entre dans une baignoire emplie jusqu'au bord, il
fera déborder un volume d'eau égal à celui de son propre corps. Il se passera
la même chose si l'on plonge une couronne métallique dans de l'eau: elle
déplacera son propre volume. Si l'on avait connu le volume et le poids de la
couronne et la densité ou le poids de l'or pur, ainsi que ceux de l'argent
(métal plus léger), il eût été possible de vérifier si la couronne était pure
ou non. Selon la légende, la couronne du roi de Syracuse était fausse, et le
joaillier le paya de sa vie. La découverte
d'Archimède peut s'exprimer de la façon suivante: « Tout corps plongé dans un
liquide subit une poussée vers le haut équivalente au poids du liquide qu'il
déplace »
3.
Tous les êtres
humains flottent-ils de la même manière?
De ce qui découle plus haut non, cela dépend de la densité
de son corps. Une personne moins dense aura plus de chance de flotter que
quelqu'un de très dense dans une même eau.
4.
Certains parlent de densité musculaire ou du rôle du
squelette dans ce qui modifie ce "niveau de flottaison", qu'en est-il
?
Je pense que c'est vrai. Voici une fiche d'expérience
que vous pouvez trouver sur le site du palais de la découverte pour expliquer
aux enfants la densité et pourquoi ils flottent, je trouve qu'elle est très
illustrative et simple à mettre en oeuvre .
5.
Les élèves vont à la piscine . Un des exercices consiste
à vider ses poumons progressivement pour se laisser couler au fond de la piscine.
Quelle en est l'explication scientifique ? Est-ce un rapport avec le volume, le
poids, l'air ?
Le principe d'Archimède nous dit que si un corps est plus dense que l'eau, il coule, s'il est moins dense, il flotte. Le corps humain est juste un peu plus dense que l'eau, donc il devrait couler, sauf que les poumons remplis d'air (mille fois moins dense que l'eau) diminuent suffisamment la densité moyenne (calculée pour le volume entier du corps) pour qu'il flotte. Vidons nos poumons et nous devenons plus denses que l'eau et nous coulons.
Euréka! comme dirait Archimède. Si la densité ("lourdeur" pour sa "taille") d'un objet est élevée, il coule comme une pierre. Si sa densité est faible, il flotte comme un bouchon. En vidant ses poumons, l'élève "se transforme" d'un "bouchon" en une "pierre"- son poids reste constant mais son volume diminue parce que ses poumons agissent comme un ballon.
6.
Un enfant plonge à plat : il y a une résistance de l'eau
(l'enfant se fait mal au ventre). Un autre plongera de façon aérodynamique
en joignant les mains et il recevra moins de résistance et ne se fera pas
mal. Quelle est la notion scientifique ayant un rapport avec l'eau ? Est-ce
la même notion (de résistance ???) pour expliquer la forme de la proue d'un
bateau.
Comment " expliquer " scientifiquement tout ceci aux enfants ? Y a
-t-il des expériences qui pourraient mettre ces concepts en évidence ?
Un enfant plonge à plat : Il y a une résistance de l'eau (
l'enfant se fait mal au ventre ) Un autre plongera de façon aérodynamique en
joignant les mains et il recevra moins de résistance et ne se fera pas mal.
Quelle est la notion scientifique ayant un rapport avec l'eau ? Est-ce la même
notion ( de résistance ??? ) pour expliquer la forme de la proue d'un bateau.
Il me semble assez intuitif qu'une surface plane placée perpendiculairement au
vent subit une force beaucoup plus grande que la même surface placée
parallèlement au vent. De même un parachute ouvert ralentit beaucoup mieux la
chute que le même parachute fermé. En outre, l'eau, beaucoup plus dense que
l'air, offre une résistance à l'avancement beaucoup plus élevée que l'air (il
suffit pour s'en convaincre, d'essayer de courir avec de l'eau
jusqu'aux genoux) Tout ceci explique aussi bien la pénétration facile du bon
plongeur que l'avance facile d'un véhicule bien profilé. La mécanique des
fluides, c'est justement l'étude des forces qui s'exercent à l'intérieur d'un
fluide en mouvement, d'une part sur le fluide lui-même, d'autre part sur des
corps situés à l'intérieur du fluide.
Le message à faire passer est celui de la résistance dynamique d'un fluide. Je
pense qu'on peut y arriver en utilisant des images, par exemple celle d'un
individu cherchant à avancer dans une zone couverte de broussailles.
S'il est gros et large, il a beaucoup de mal à avancer. S'il est fluet, il se
faufile bien mieux. Les molécules d'air ou d'eau se comportent comme les
broussailles vis-à-vis d'un objet qui se déplace et le freinent d'autant plus
qu'il est plus "large". Cette comparaison vaut aussi pour la forme
des objets, un objet pointu et effilé pénétrant bien mieux qu'un objet plat.
Une fois qu'on a compris ça, la meilleure manip n'est-elle pas justement de
plonger dans la piscine?
Oui, c'est la même chose qu'avec la proue d'un bateau. Il faut demander à l'enfant de couper du beurre avec un couteau et puis d'essayer de faire le même avec le dos d'une cueillere-il devrait comprendre la différence! C'est une question d'"étalement" de la force (poids) sur une surface plus ou moins grande.
7.
Un sous-marin remplit ses ballasts d'eau pour plonger
sous l'eau. Est-ce un rapport avec le volume, le poids. L'air a -t -il une
influence dans les phénomènes de flottaison ? Les enfants précisent facilement
que si un même objet flotte ou coule c'est parce qu'il y a de l'air.
Le sous-marin agit comme l'enfant dans la piscine:lorsqu'il a de l'air dans ses ballasts, c'est tout comme si ses "poumons" sont pleins d'air. En mettant de l'eau a la place, c'est comme si l'enfant a vide ses poumons(ou pire, a "bu la tasse").
8.
Certains parlent de la surface portante d'un objet ?
Y a-t-il lieu d'utiliser ces termes ?
Ce terme est tout à fait pertinent, dans le cas des avions par exemple, où la surface des ailes est un facteur fondamental de la "portance", c'est-à-dire de la force qui maintient l'avion en l'air.
Plus compliqué : c'est une histoire de dynamique. Exemples :
ce qui empêche un avion de tomber ou un skieur nautique de "se
mouiller". Le mouvement de l'objet par rapport au fluide ( liquide ou air)
provoque une
force de "flottaison".
9.
Que recouvre les termes mécanique des fluides ?
Mécanique des fluides:c'est l'étude des forces et des mouvements des choses "fluides"-souvent par rapport aux solides.
10. Travaillant actuellement sur la "flottabilité"
d'un objet (dégager des critères sur cette même flottabilité), je me trouve
un peu ennuyé pour expliquer SIMPLEMENT pourquoi les bateaux flottent... et
j'ai donc du mal à dégager ces critères qui ne sont pas seulement la masse,
la matière ou le volume.
C'est pourquoi je souhaite :
quelques explications théoriques afin de m'approprier le problème de façon plus
claire
des pistes expérimentales pour que les enfants comprennent le phénomène.
L'explication "théorique" réside dans la célèbre "poussée d'Archimède" : tout corps plongé dans un liquide subit de la part de celui-ci une force verticale dirigée de bas en haut, égale au poids du liquide déplacé. De deux choses l'une, ou bien le poids de ce corps est supérieur à la poussée d'Archimède, et le corps coule, ou bien il est inférieur, et le corps flotte.
C'est vite dit, mais ça n'est pas forcément très clair. Que
signifie "liquide déplacé? » Quand j'immerge en entier dans de l'eau
un objet dont le volume est un litre, le volume d'eau déplacé vaut précisément
un litre, dont la masse est 1kg. La poussée d'Archimède vaut 1kg x 9,81=9,81N.
Tant que je ne l'ai pas entièrement enfoncé, le volume déplacé ne correspond
qu'à la partie immergée, et la poussée d'Archimède est inférieure à cette
valeur. La question de flottabilité est alors un problème d'équilibre de forces,
le corps immergé étant soumis à deux forces de sens opposés, son poids et
la poussée d'Archimède. L'une est constante (le poids), l'autre varie avec
l'enfoncement (la poussée). Si l'équilibre entre ces deux forces est atteint
avant immersion complète, le corps cesse de s'enfoncer et flotte. Si l'équilibre
n'est jamais atteint, ce qui signifie que la densité moyenne du corps est
supérieure à celle de l'eau, le corps coule irrémédiablement. Le corps qu'on
immerge n'a pas besoin d'être homogène pour que la loi s'applique. Un bateau
est en fait une boîte métallique étanche en ferraille, pleine d'air. Elle
n'est donc pas vraiment lourde, et son poids est inférieur au poids d'un volume
égal d'eau. Donc elle flotte. Si on la remplit d'objets lourds, par exemple
des morceaux de plomb ou de cuivre, il vient un moment où son poids dépasse
celui du même volume d'eau, et elle coule.
Je propose la petite expérience suivante, qui nécessite un matériel peu coûteux
: une cuvette pleine d'eau, un gobelet en plastique de qualité moyenne, de
l'alcool à brûler, de l'eau et du sel.
-1 on remplit à moitié le gobelet d'alcool et on le dépose sur l'eau. Il flotte
évidemment, et on le remplit avec précaution, toujours d'alcool, jusqu'au
bord. Il flotte toujours, et son bord est bien à quelques millimètres au-dessus
du niveau de l'eau.
-2 on refait l'expérience en le remplissant d'eau. Juste quand il est plein,
il coule, ou presque, en tout cas l'eau affleure le bord.
-3 même expérience, avec de l'eau bien salée. Pour obtenir vite de l'eau bien
salée, il est commode de chauffer l'eau avec plein de sel dedans, de laisser
refroidir et de décanter. Cette fois, on constate que le gobelet coule avant
d'être rempli jusqu'au bord.