Mécanique

Exploiter la force d'Archimède

sciences · Durée indicative : 3 h

Comprendre la force d'Archimède (résultante des forces de pression sur un objet immergé), déterminer expérimentalement les paramètres qui l'influencent (masse volumique du fluide, volume immergé) et prévoir la flottabilité d'un objet — applications aux éléments flottants de vitrine et aux matériaux.

1. La force d'Archimède

Pourquoi une grosse sphère de polystyrène flotte-t-elle à la surface du bac d'eau de la vitrine, alors qu'une petite pièce métallique coule ? Parce que tout objet plongé dans un fluide subit de la part de celui-ci une force qui le pousse vers le haut.

Force d'Archimède FA : résultante des forces de pression exercées par un fluide (liquide ou gaz) au repos sur un objet qui y est immergé.

Caractéristiques : direction verticale, sens vers le haut, point d'application au centre du volume immergé.

FA = ρfluide × Vimmergé × g

  • FA : force d'Archimède en newton (N)
  • ρfluide : masse volumique du fluide en kg·m−3 (eau : 1 000 kg·m−3 ; air : 1,3 kg·m−3)
  • Vimmergé : volume de la partie immergée en m3 (1 L = 10−3 m3)
  • g : intensité de pesanteur ≈ 10 N·kg−1

La force d'Archimède est égale au poids du volume de fluide déplacé. Elle dépend de la masse volumique du fluide et du volume immergé — pas de la profondeur ni de la masse de l'objet lui-même.

Exemple résolu — Sphère décor immergée : une sphère de volume V = 2,0 L est entièrement immergée dans l'eau d'un bac de vitrine. Quelle force d'Archimède subit-elle ?

Conversion : V = 2,0 L = 2,0 × 10−3 m3.

FA = ρ × V × g = 1 000 × 2,0 × 10−3 × 10 = 20 N.

Si la sphère a une masse m = 1,5 kg, son poids vaut P = m × g = 1,5 × 10 = 15 N < 20 N : la force d'Archimède l'emporte, la sphère remonte et flotte, partiellement immergée.

Déterminer expérimentalement la force d'Archimède (protocole) :

  • 1. Suspendre l'objet à un dynamomètre et mesurer son poids P dans l'air.
  • 2. Immerger complètement l'objet dans l'eau (sans toucher les parois) et lire la valeur « apparente » P' affichée par le dynamomètre.
  • 3. La force d'Archimède vaut FA = P − P' (l'objet paraît plus léger).
  • 4. Mesurer le volume immergé par déplacement d'eau dans une éprouvette et vérifier FA ≈ ρ × V × g.
  • 5. Recommencer avec de l'eau salée (ρ plus grande) : la force d'Archimède augmente.

2. Flotter, couler ou rester en équilibre

Deux corps dans l'eau : l'un flotte (poussée ≥ poids), l'autre coule
La poussée d'Archimède Π contre le poids P : l'objet léger flotte, l'objet dense coule.

Condition d'équilibre : un corps est en équilibre dans un fluide (ou à sa surface) lorsque la force d'Archimède équilibre son poids : FA = P.

Critère de flottabilité (comparaison des masses volumiques) :

  • ρobjet < ρliquide : l'objet flotte (une partie seulement est immergée : FA sur la partie immergée équilibre le poids) ;
  • ρobjet = ρliquide : l'objet reste en équilibre entre deux eaux ;
  • ρobjet > ρliquide : l'objet coule.

Fraction immergée d'un solide flottant : Vimmergé/Vtotal = ρobjet/ρliquide.

Exemple résolu — Choix d'un matériau de décor flottant : on veut que des cubes de décor flottent à la surface de l'eau (ρeau = 1 000 kg·m−3).

  • Pin (ρ ≈ 500 kg·m−3) : flotte, moitié immergée (500/1 000 = 0,50 → 50 % du volume sous l'eau).
  • Polystyrène expansé (ρ ≈ 20 kg·m−3) : flotte presque entièrement hors de l'eau (2 % immergé).
  • PVC rigide (ρ ≈ 1 400 kg·m−3) : coule — à lester ou à suspendre si l'on veut l'utiliser dans le bac.

Mesures et incertitudes : au dynamomètre, attendre la stabilisation de l'affichage, lire à hauteur des yeux, répéter la mesure et moyenner. Le volume lu à l'éprouvette a une précision limitée (ménisque, graduation) : présenter FA avec 2 chiffres significatifs maximum si les mesures sont grossières.

Sécurité : bacs d'eau près des installations électriques de vitrine : vérifier l'étanchéité et la protection des circuits (différentiel 30 mA), essuyer immédiatement les projections au sol (risque de glissade). Manipulation de masses suspendues : vérifier les fixations.

Exercices d'entraînement