Le principe d'Archimède

• Comprendre le principe d'Archimède et observer ses effets sur différents objets ayant des densités différentes

En physique, la poussée d'Archimède est la force dirigée vers le haut exercée sur un objet par le liquide ou le gaz environnant dans lequel il est totalement ou partiellement immergé, en raison de la différence de pression du fluide entre la partie supérieure et la partie inférieure de l'objet.

La force de flottabilité nette est égale à la valeur absolue du poids du fluide déplacé par le corps. Cette force permet à l'objet de flotter ou, du moins, de paraître plus léger.

La flottabilité est importante pour de nombreux engins, tels que les bateaux, les navires et les ballons, et joue un rôle essentiel dans divers phénomènes naturels, comme la sédimentation. Le principe d'Archimède tire son nom d'Archimède de Syracuse, qui fut le premier à découvrir la loi suivante concernant un corps immergé dans un liquide.

« Tout objet, entièrement ou partiellement immergé dans un fluide, est soulevé par une force égale au poids du fluide déplacé par cet objet. ».

La pression augmente avec la profondeur sous la surface d'un liquide. Tout objet dont la profondeur verticale est différente de zéro subit des pressions différentes sur sa face supérieure et sa face inférieure, la pression sur la face inférieure étant plus élevée. Cette différence de pression génère la force de flottabilité dirigée vers le haut.

Où ρ est la densité du fluide, h la profondeur (hauteur négative) et g l'accélération de la gravité standard (9,8 N/kg sur Terre).

Un objet dont la densité moyenne est supérieure à celle du fluide a une poussée hydrostatique inférieure à son poids et coulera. Un navire flotte car, bien qu'il soit construit en acier, dont la densité est supérieure à celle de l'eau, il renferme un volume d'air et sa forme globale présente une densité moyenne inférieure à celle de l'eau.

Si le poids d'un objet est inférieur au poids du fluide déplacé lorsqu'il est entièrement immergé, cela signifie que cet objet a une densité moyenne inférieure à celle du fluide et que sa poussée hydrostatique est supérieure à son propre poids.

Si le fluide présente une surface, comme l'eau d'un lac ou de la mer, l'objet flottera à un niveau tel qu'il déplacera une masse de fluide égale à son propre poids. Si l'objet est immergé dans le fluide, comme un sous-marin en plongée ou l'air dans un ballon, il aura tendance à remonter.

Si la densité de l'objet est exactement égale à celle du fluide, alors sa poussée d'Archimède est égale à son poids. Il restera immergé dans le fluide, mais il ne coulera pas et ne flottera pas non plus. Un objet dont la densité moyenne est supérieure à celle du fluide a une poussée d'Archimède inférieure à son poids et il coulera.

Un navire flotte même s'il est en acier (dont la densité est bien supérieure à celle de l'eau), car il renferme un volume d'air (dont la densité est bien inférieure à celle de l'eau), et la forme ainsi obtenue présente une densité moyenne inférieure à celle de l'eau.

Un bateau flotte grâce à la poussée d'Archimède, comme le décrit le principe d'Archimède.

• Éprouvette graduée, de forme haute, avec bec verseur. Capacité : 100 x 1 ml, verre borosilicaté — 1226.15
• Tige avec hameçon, diamètre 10 mm, longueur 127 mm — 4113.53
• Balance à ressort tubulaire, en plastique (dynamomètre), plage de mesure : 2,5 N — 4110.21
• Masses cylindriques avec crochet (10, 25, 50 g) — 4110.08-10-12
• Colorants alimentaires — 4207,56

• De quelle propriété physique dépend la poussée d'Archimède ?
• On dit qu'un corps immergé dans un liquide est en équilibre lorsque la poussée d'Archimède est supérieure, inférieure ou exactement égale à son poids ?
• La poussée d'Archimède est une force dont la direction est identique à celle du poids. Quelle direction est-elle censée avoir ?
• D'après ce que vous avez observé au cours de cette expérience, et en transposant ces considérations aux fluides, les corps dont la densité est inférieure à celle de l'air vont-ils flotter, être portés par la poussée d'Archimède ou tomber sous l'effet de la gravité ?