Comprendre la flottabilité :formule, exemples et applications quotidiennes

Avez-vous déjà ressenti une sensation de légèreté lorsque vous nagez dans la piscine ou un seau plus léger lorsque vous puisez l'eau d'un puits ? Si vous le faites, la flottabilité se produit lors de ces événements. En flottabilité, lorsqu'il est immergé dans l'eau ou dans toute source de fluide, un corps subit une force provenant de la direction descendante opposée à la direction de l'attraction gravitationnelle.

C’est pourquoi nous constatons une perte de poids lorsque cela se produit. Cela peut également être la raison pour laquelle les aiguilles coulent et les bouteilles en plastique flottent, quel que soit leur poids.

Eh bien, dans cette lecture, nous explorerons ce qu'est la flottabilité, son diagramme, ses applications, son objectif, ses causes, ses types et comment la flottabilité est atteinte. Vous apprendrez également à connaître la densité et la densité associée et pourquoi un objet flotte ou coule dans l'eau.

Commençons !

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La flottabilité, ou poussée ascendante, est une force ascendante exercée par un fluide qui s'oppose au poids d'un objet partiellement ou totalement immergé. On dit aussi que c'est la force qui fait flotter les objets. La flottabilité se produit lorsqu'il existe des différences de pression agissant sur les côtés opposés d'un objet immergé dans un fluide statique.

On l'appelle également force de flottabilité car la flottabilité est le phénomène dû à la force de flottabilité. Dans une colonne de fluide, la pression augmente avec la profondeur en raison du poids du fluide sus-jacent. Par conséquent, la pression au bas d'une colonne de fluide est supérieure à celle en haut de la colonne.

De même, la pression au bas d’un objet immergé dans un fluide est supérieure à celle au sommet de l’objet. Cette différence de pression se traduit par une force nette vers le haut sur l'objet.

Le principe d'Archimède expliquait également que l'ampleur de la force est proportionnelle à la différence de pression et équivaut au poids du fluide qui autrement déplacerait le liquide; la force peut maintenir l’objet à flot. C'est pourquoi un objet dont la densité moyenne est supérieure à celle du fluide dans lequel il est immergé a tendance à couler.

Mais si l’objet est moins dense que le fluide, la force peut maintenir l’objet à flot. Cela ne se produira que dans un référentiel non inertiel qui possède un champ gravitationnel ou accélère en raison d'une force autre que la gravité. Il s'agit de définir une direction « vers le bas ».

L'unité de force de poussée est le Newton (N)

Ainsi, la flottabilité peut être définie comme la force ascendante appliquée par le fluide sur l'objet ou le corps lorsqu'un objet est placé ou immergé dans le fluide.

Le centre de flottabilité d'un objet est le centre de gravité du volume de fluide déplacé. C'est le point de l'objet où la force agit ou le point où la force de flottabilité est appliquée. La force de flottabilité est verticale, donc le centre de flottabilité est le point situé sur le centre de gravité du liquide déplacé par l'objet immergé.

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Applications

L’application de la flottabilité est si vaste qu’elle peut maintenir des objets à flot dans l’eau, ce dont nous, les humains, ne pouvons pas nous passer. La flottabilité est utilisée dans les sous-marins et les montgolfières ; même les poissons et les nageurs utilisent le même principe. Vous trouverez ci-dessous quelques applications de la flottabilité dans le monde réel.

• Montgolfière : Parce que l’atmosphère contient de l’air qui exerce une force de poussée sur n’importe quel objet. Un ballon à air chaud flottera en raison de la force de flottabilité, il descendra lorsque le poids du ballon est supérieur à la force de flottabilité. En effet, le ballon devient stationnaire lorsque le poids est égal à la force de flottabilité.
• Sous-marin : Les sous-marins font bon usage du principe de flottabilité. Un sous-marin possède un grand ballast qui sert à contrôler sa position et sa profondeur depuis la surface de la mer. Dans les sous-marins, l'eau peut pénétrer dans le ballast de sorte que son poids devient supérieur à la force de poussée.
• Navire : Les navires peuvent flotter à la surface de la mer car le volume d'eau déplacé par le navire est suffisant pour avoir un poids égal au poids du navire. Les navires sont construits pour avoir des formes creuses, ce qui rend la densité globale d'un navire inférieure à celle de l'eau de mer. C'est pourquoi la force de poussée agissant sur le navire est suffisamment importante pour supporter son poids.
• Poisson : Comme indiqué précédemment, certains groupes de poissons et de nageurs utilisent également le principe d’Archimède pour monter et descendre dans l’eau. Pour remonter à la surface de l’eau, les poissons rempliront leur vessie natatoire (sacs aériens) de gaz. Ces gaz se diffusent de leur propre corps vers la vessie, rendant leur corps plus léger, ce qui permet au poisson de remonter.

Formule

La formule de flottabilité (également connu sous le nom de Principe d'Archimède ) est

Force de flottabilité (Fb)=ρ⋅V⋅g\text{Force de flottabilité (} F_b \text{)} =\rho \cdot V \cdot g

Où :

• FbF_b =Force de flottabilité (en newtons, N)

• ρ\rho =Densité du fluide (en kg/m³)

• VV =Volume du fluide déplacé (en m³)

• gg =Accélération due à la gravité (≈ 9,81 m/s²)

Exemple :

Si un objet déplace 0,5 m³ d'eau (densité =1000 kg/m³), la force de poussée est :

Fb=1000⋅0,5⋅9,81=4905 NF_b =1000 \cdot 0,5 \cdot 9,81 =4905 \, \text{N}

Cela signifie que l'eau exerce une force ascendante de 4 905 newtons. sur l'objet.

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Causes et exemples de flottabilité

Il faut savoir que la flottabilité est provoquée par la pression exercée par le fluide dans lequel l'objet est immergé. De plus, la force de poussée exercée par l’objet est toujours ascendante. En effet, la pression du fluide augmente avec la profondeur. Voici quelques exemples de flottabilité :

• Un bateau ou un navire flottant dans l'eau
• Un bouchon immergé dans l'eau finira par flotter en raison de la flottabilité.
• Les nageurs sont de bons exemples de flottabilité.
• Un bateau flottant sur l'eau :le poids du bateau est équilibré par la force de poussée ascendante de l'eau.
• Une montgolfière s'élevant dans le ciel :l'air chaud à l'intérieur de la montgolfière est moins dense que l'air plus froid à l'extérieur, ce qui crée une flottabilité.
• Iceberg flottant dans l'océan :la glace est moins dense que l'eau de mer, elle flotte donc.
• Un nageur flottant sur le dos :le corps humain peut flotter grâce à l'air présent dans les poumons et à la graisse corporelle, qui est moins dense que l'eau.
• Un morceau de bois flottant dans une rivière :le bois a une densité inférieure à celle de l'eau, il flotte donc.
• Un canard en caoutchouc flottant dans une baignoire :le canard flotte grâce à sa conception creuse et légère.
• Un gilet de sauvetage maintient une personne à flot :les gilets de sauvetage emprisonnent l'air et augmentent la flottabilité globale.
• Une marée noire flottant sur l'eau de mer :le pétrole est moins dense que l'eau, ce qui le fait flotter.
• Un ballon à l'hélium qui s'élève dans les airs :l'hélium est plus léger que l'air, ce qui permet au ballon de flotter.
• Un poisson ajustant sa profondeur à l'aide d'une vessie natatoire :le poisson contrôle sa flottabilité en modifiant le volume de gaz dans sa vessie natatoire.
• Un sous-marin flottant ou plongeant en ajustant les réservoirs de ballast :les sous-marins régulent la flottabilité en utilisant l'air et l'eau présents dans leurs réservoirs.
• Un ballon de plage qui flotte sur les vagues de l'océan :il est rempli d'air et déplace suffisamment d'eau pour rester à flot.
• Un cargo flottant tout en transportant de lourds conteneurs :malgré la charge, la coque déplace suffisamment d'eau pour rester flottante.
• Une bouteille vide scellée flottant dans un lac :l'air à l'intérieur la maintient en flottabilité.
• Les gouttes d'une lampe à lave montent et descendent – La flottabilité change en raison du chauffage et du refroidissement des gouttes de cire.
• Un bateau en papier flottant dans une flaque d'eau :la structure légère en papier déplace suffisamment d'eau pour rester à flot (temporairement).
• Lanternes flottantes pendant les festivals :l'air chaud à l'intérieur les rend flottantes dans l'air ambiant plus frais.
• Un récipient en plastique flottant lorsqu'il est jeté dans une piscine :le récipient est moins dense que l'eau.
• Des bulles d'air remontant à la surface d'un soda :les bulles sont plus légères que le liquide, donc la flottabilité les pousse vers le haut.
• Une chambre à air flottant dans une rivière :remplie d'air, elle déplace suffisamment d'eau pour supporter le poids et flotter.

Types de flottabilité

Vous trouverez ci-dessous les différents types de flottabilité. Les trois types de flottabilité sont la flottabilité positive, négative et neutre.

Des types positifs de flottabilité se produisent lorsque l'objet immergé est plus léger que le fluide déplacé. C'est pourquoi l'objet flotte. Les types de flottabilité négative se produisent lorsque l'objet immergé est plus dense que le fluide déplacé, ce qui entraîne le naufrage de l'objet.

Enfin, des types de flottabilité neutres se produisent lorsque le poids de l'objet immergé est égal au fluide déplacé. Vous trouverez ci-dessous les facteurs qui peuvent affecter les différents types de flottabilité.

• La densité du fluide.
• Le volume de fluide déplacé peut également affecter la flottabilité. Enfin,
• Accélération locale due à la gravité.

Les facteurs qui n'affectent pas la force de flottabilité incluent la densité de l'objet immergé et la masse de l'objet immergé est également un facteur.

Densité et densité relative

Pour comprendre le concept de flottabilité, il faut bien comprendre le concept de densité et de densité relative.

La densité des matériaux peut être définie comme leur masse par unité de volume. Il s’agit d’une mesure de la densité de la matière. Il est défini numériquement comme :

Densité, ρ=MassVolume=MV

• L'unité SI de densité est mesurée en kilogrammes par mètre cube (kg/m3).
• La densité est de 0,9584 gramme par centimètre cube à 100 ° Celsius.

La densité relative d'une substance est définie comme le rapport entre la densité de la substance et la densité de l'eau à C. Elle est également connue sous le nom de gravité spécifique d'une substance.
Densité relative =Densité d'une substance/Densité de l'eau à 4°C

Puisque la densité relative est un rapport de quantités similaires, elle n'a pas d'unité.

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Pourquoi un objet flotte-t-il ou coule-t-il dans l'eau

La raison pour laquelle les objets flottent ou coulent dans l’eau peut être prise en compte lorsque l’on imagine que l’eau est constituée de couches sus-jacentes. C'est l'un sur l'autre avec une pression variable. La pression au bas du liquide est supérieure à celle au sommet, c'est pourquoi nous nous enfonçons dans le liquide en quelques couches. Ces couches ont tendance à augmenter à mesure que l'objet coule.

Avec la différence de pression dans les couches de fluide, une force constituée est appliquée vers le haut. Cette force entraîne l’accélération de l’objet immergé vers le haut. La force est toujours dans la direction verticale.

En d’autres termes, on peut également dire que l’ampleur de la force ascendante est fondamentalement équivalente à la différence de pression au sommet. La dernière couche équivaut également au poids du fluide qui a été déplacé.

La conséquence du concept ci-dessus est ce que nous appelons le flottement. L'objet doit être moins dense que l'eau; sinon, une plus grande densité entraînera le naufrage de l'objet.

Conclusion

La flottabilité est la force ascendante exercée par un fluide qui s'oppose au poids d'un objet qui y est immergé. Ce principe fondamental explique pourquoi les objets flottent ou coulent et joue un rôle crucial dans la mécanique des fluides, la construction navale, l'aéronautique et même les systèmes météorologiques.

Régie par le principe d'Archimède, la flottabilité dépend du poids du fluide déplacé et de la densité de l'objet. Comprendre la flottabilité aide à concevoir des structures flottantes, à prédire le comportement des fluides et à résoudre des problèmes techniques et scientifiques réels.

FAQ sur la flottabilité

Qu'est-ce que la flottabilité ?

La flottabilité est la force ascendante exercée par un fluide (liquide ou gaz) qui supporte le poids d'un objet immergé dedans.

Qu'est-ce qui détermine si un objet flotte ou coule ?

Si la densité de l’objet est inférieure à la densité du fluide, il flotte; si plus, il coule.

Qu'est-ce que le principe d'Archimède ?

Il indique que la force de poussée exercée sur un objet immergé est égale au poids du fluide qu'il déplace.

La flottabilité s'applique-t-elle également aux gaz ?

Oui, la flottabilité s'applique à la fois aux liquides et aux gaz. Par exemple, la façon dont les montgolfières s'élèvent dans l'atmosphère.

La flottabilité peut-elle être négative ?

Oui. Lorsque le poids de l'objet dépasse la force de flottabilité, il a une flottabilité négative et coule.

Pourquoi les navires en acier flottent-ils ?

Bien que l'acier soit dense, les navires sont conçus avec des formes creuses qui déplacent suffisamment d'eau pour créer une force de poussée supérieure à leur poids.

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