La poussée d'Archimède
Chacun a sans doute en tête l'anecdote (fiction ?) où Archimède (Sicile, IIIeme siècle av J.C) serait sorti nu d'une baignoire en criant "Euréka!". Ceci en réfléchissant à un problème pratique délicat, c'est à dire savoir si une couronne royale était en or pur ou en alliage or-argent, et ce, bien sur, sans abimer la couronne.

Cette réflexion allait l'amener à élaborer les fondements de l'hydrostatique, c'est à dire ce qui concerne la mécanique des fluides au repos et comprendre le phénomène de poussée qui porte aujourd'hui son nom.

Qu'est-ce donc que la poussée d'Archimède ?



Dans un premier temps disons que : Tout corps, plongé dans un fluide, que ce soit un liquide (généralement l'eau), ou un gaz (généralement l'air), va subir une force de ce fluide, verticale et dirigée vers le haut.

Cette force, agissant donc dans un sens inverse au poids de l'objet, va  compenser ce poids.

Pour saisir ceci, faites une petite expérience : munissez vous d'un objet assez lourd (brique ou gros galet) et d'un récipient assez grand contenant de l'eau.


Maintenez la brique dans l'air, puis maintenez-la dans l'eau. Si votre mémoire sensorielle est assez fine, vous devez constater que la brique parait plus légère dans l'eau. Evidemment son poids n'a pas changé, puisque l'attraction terrestre et la masse de la brique n'ont pas changé, c'est la poussée due à l'eau qui a partiellement compensé ce poids.


Maintenant, munissez vous d'un objet très léger (peu dense) comme un bloc de polystyrène ou une balle de ping-pong. Soupesez-le dans l'air, puis soupesez-le dans l'eau...c'est fait ? Vous n'êtes pas arrivé à immerger cet objet ? Cette fois ci, le poids de l'objet étant plus petit que la poussée, vous avez du faire un effort pour plaquer l'objet dans l'eau. La poussée l'a emporté sur le poids. Vous pressentez déjà que ceci a des conséquences sur le phénomène de flottaison, mais nous verrons cela plus loin.




De manière quantitative, on peut énoncer que la poussée est  égale  au poids du volume de fluide occupé par l'objet.

Par exemple pour l'eau, de masse volumique 1kg/l, si la brique de notre exemple précédent a un volume de 1l, ce qui est a peu près le cas, la poussée aura comme valeur le poids de 1 l d'eau, soit environ 10 N. (relire masse et poids, le cas échéant). La masse volumique de la brique étant de 2,5 kg/l, son poids est de 25 N, la brique placée dans l'eau ira directement vers le fond (25 N > 10N).
 Pour un bloc de polystyrene de volume 1 l et de masse 15g, si on immerge le bloc la poussée vaut 10N, à comparer avec le poids de 0,15 N. Le bloc va remonter jusqu'à ...flotter.


La flottaison intervient lorsque poids et poussée s'équilibrent :


L'objet flottant est immergé pour que son volume sous l'eau corresponde à une poussée égale au poids. Ici, dans notre exemple, la poussée vaudra 0.15N, il y a donc 0,015 l de l'objet immergé.(Soit 1,5%)

Autre exemple concret :

Si la glace flotte, c'est que la poussée due à l'eau équilibre son poids.
La densité de la glace étant de 0,9, on a donc une grande partie de la glace immergée, ce qui se vérifie avec cette image :




Pour l'instant, on a considéré les objets placés dans l'eau. De même, l'air, étant un fluide, exerce aussi une poussée. Cependant, la masse volumique de l'air étant de 1g/l environ, on peut considérer en général cette poussée comme négligeable, puisque 1000 fois moindre que celle exercée par l'eau.

Néanmoins cette poussée explique le fonctionnement des ballons gonflés à un gaz "moins lourd" (moins dense" que l'air), en général hélium, ou des montgolfières qui sont remplies d'air chaud, moins dense que l'air froid environnant.



Si le volume de l'enveloppe est suffisamment grand, la poussée sera suffisante pour pouvoir maintenir en altitude une nacelle et ses occupants. Pour redescendre, attendre que l'air chaud se refroidisse, pour remonter, chauffer avec le bruleur ou, en cas d'urgence, lâcher du lest !

Ce phénomène de poussée dans l'air complique la recherche, déjà peu évidente : "Comment peser l'air ?"  En effet, si on gonfle un ballon de baudruche et qu'on le pose sur une balance, le poids de l'air extérieur (poussée) est égal au poids de l'air intérieur. Ne pas s'étonner si on n'obtient pas de résultat probant !
Le ballon rouge contient plus d'air que le bleu, son poids est donc supérieur.
Son volume étant aussi  supérieur, la poussée d'Archimède l'est également.
Il y a compensation, et donc équilibre de la balance.
Expérience désastreuse pour prouver que l'air est pesant !




A volume égal, mais en gonflant davantage le ballon, on montre bien qu'il est plus lourd, la poussée d'Archimède étant égale dans les deux cas cette fois.





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