La poussée d'Archimède

Cessons de visiter les musées, n'observons plus les étoiles, restons sur Terre et faisons un peu de Physique. Éloignons nous de l'Intelligence Artificielle et revenons sur l'intelligence d'Archimède bien réelle qui découvrit une loi tellement simple!

 

 

Eureka!

Eureka! (j'ai trouvé!) s'écrie Archimède en sortant de son bain.

La poussée d'Archimède 

Qu'a-t-il donc trouvé? Il a trouvé une loi bien simple, un théorème fondamental de la Physique:

Tout corps plongé dans un fluide (liquide ou gazeux) reçoit une poussée verticale de bas en haut égale au poids du fluide déplacé par le corps.

C'est cette poussée que l'on appelle la poussée d'Archimède.

La couronne du roi de Syracuse était-elle totalement en or?

Légende ou réalité ? On raconte que c'est au cours de cette expérience qu'Archimède a découvert sa fameuse loi.

Le roi Hiéron II de Syracuse (306-215 av.J.C.) voulait savoir si la couronne qu'il s'était fait confectionner était totalement en or. Le poids de la couronne était le poids d'or remis par le roi à l'artisan, mais la couronne était-elle totalement en or? L'orfèvre n'avait-il pas remplacé un peu d'or par une même quantité d'argent?

En mettant dans une balance la couronne d'un côté et de l'autre côté un lingot d'or de même poids , il y a équilibre de la balance (figure de gauche).

Immergeons le tout dans l'eau. Si la couronne est en or pur, le volume de la couronne et celui du lingot d'or est le même puisqu'ils ont le même poids, le volume d'eau déplacé est donc le même et la poussée d'Archimède est la même : il y a encore équilibre de la balance.

Si la couronne n'est pas totalement en or, si l'orfèvre a remplacé une certaine quantité d'or par la même quantité d'argent, la masse volumique de l'argent étant plus petite que la masse volumique de l'or, le volume de la couronne a augmenté (par exemple si l'orfèvre a remplacé 300 g d'or par 300 g d'argent, les masses volumiques de l'or et de l'argent étant respectivement19,3g/cm³ et 13,5g/cm³, les volumes de ces quantités d'or ou d'argent sont 300/19,3 = 15,4 cm³ et 300/13,5= 22,2 cm³). La poussée d'Archimède est donc plus grande sur la couronne frelatée que sur le lingot d'or, l'équilibre de la balance est rompu, le fléau penche vers le bas du côté du lingot d'or (figure de droite). Archimède a ainsi montré, en utilisant sa fameuse poussée, que la couronne du roi de Syracuse n'était pas totalement en or.

Applications

On retrouve la poussée d"Archimède dans bien des exemples.

Dans la mer. C'est l'exemple le plus courant. Lorsque vous jetez un caillou dans l'océan, il va au fond de l'eau parce que le poids du caillou est beaucoup plus grand que la poussée d'Archimède qu'il subit.

Par contre un bateau extrêmement massif, chargé de plusieurs tonnes de matériel, flotte parce que la poussée d'Archimède qu'il subit (flèche en bleu) est égale au poids du bateau (flèche en rouge).
Lorsque nous faisons "la planche" dans la mer, nous sommes dans la même situation que le bateau: il y a équilibre entre la poussée d'Archimède que nous subissons et notre poids.

Si notre poids est supérieur à la poussée d'Archimède, nous descendons sous l'eau.

La Mer Morte. C'est un grand lac salé de 810 km² à 420 m au-dessous du niveau de la mer entre Israël , la Cisjordanie et la Jordanie, alimenté par le Jourdain. Beaucoup y vont pour soigner des maladies de la peau comme le psoriasis ou l'eczéma. Personnellement j'y suis allé non pas pour me soigner mais pour avoir le plaisir de flotter, de lire paisiblement mon journal dans l'eau car la salinité de l'eau et sa densité sont tellement grandes que la poussée d'Archimède me maintient aisément sur l'eau.

Les montgolfières.

Cette fois, le fluide mentionné par Archimède n'est pas l'eau mais l'air environnant de la montgolfière.

Une montgolfière est composée d'un ballon (l'enveloppe aux si belles couleurs), d'une nacelle contenant le pilote et des passagers et d'un bruleur arrimé à la nacelle et que vous pouvez voir dans la photo.

Le bruleur contient du propane liquide dont la combustion chauffe l'air à l'intérieur du ballon. L'air chaud est plus léger que l'air froid extérieur. Au départ, la poussée d'Archimède (poids de l'air  extérieur déplacé par la montgolfière) est plus grande que le poids de l'air chaud contenu dans le ballon, la montgolfière monte dans le ciel.

En actionnant le bruleur, le pilote chauffe l'air à l'intérieur du ballon et fait varier la hauteur du ballon pour atteindre l'équilibre, l'égalité entre poussée d'Archimède et poids de la montgolfière. Celle-ci reste stable dans le ciel. Vous pouvez alors, si vous êtes un passager, admirer le paysage!

Pour descendre il faut faire baisser la température de l'air à l'intérieur du ballon. Pour cela, il faut évacuer de l'air chaud par une soupape se trouvant au sommet du ballon, son ouverture est commandée par le pilote qui tire sur une corde. La poussée d'Archimède sera plus petite que le poids de la montgolfière qui descendra tout doucement......


J'espère vous avoir quelque peu intéressés. Vive la Physique!Eureka! J'ai trouvé comment fonctionne une montgolfière.....très sommairement.