Plongée en mer avec le sous-marin

Aujourd’hui, nous allons parler du sous-marin et de ce bon vieux principe d’Archimède, que nous côtoyons à chaque fois que nous nageons.

La question principale concerne la façon dont le sous-marin parvient à se déplacer aussi bien dans le fond de l’eau qu’en surface.

Avant de parler du sous-marin, il faut d’abord expliquer la poussée d’Archimède.

Archimède : l’Homme :

Archimède est un savant grec qui vécut à Syracuse (Sicile) de 287 à 212 avant JC. Il est connu pour ses multiples travaux scientifiques, théoriques ou pratiques. Un jour, alors qu’il entrait dans sa baignoire, il fit déborder de l’eau, c’est là qu’il s’écria « Eurêka ! ». En particulier, il avait compris ce qui se passait lorsqu’un objet était plongé dans un liquide (çà bien sûr, c’est la légende qui le dit !). Il énonça alors le principe, connu sous le nom du « principe d’Archimède »

Le principe

Le principe est le suivant :

Tout corps plongé dans un fluide (liquide ou gaz) subit une force verticale, dirigée de bas en haut et égale au poids du volume de fluide déplacé ; cette force est appelée « poussée d’Archimède.

Mais voici quelques explications de cet énoncé

Tu dois d’abord connaître la différence fondamentale entre le poids et la masse. En sciences, le poids (noté P) est une force liée à la pesanteur, exprimée en Newtons : c’est celle qui nous attire au sol. La masse m est ce que nous indique notre bonne vieille balance et s’exprime en kg.

Les deux notions sont bien sûr liées car plus tu es lourd, plus tu es attiré par le sol. Une relation de proportionnalité relie les deux : P=m x g où g est une constante appelée accélération de la pesanteur.
En effet, si tu lâches un objet du sommet de la Tour Eiffel, au moment où il quitte ta main, il a une vitesse nulle mais il va acquérir une vitesse de plus en plus grande, une accélération donc, qui n’est autre que g avant de s’écraser au sol.

Un objet flottant qu’on dépose sur l’eau (par exemple) va s’enfoncer d’un certain volume : celui de la partie immergée dans l’eau correspond à l’expression « volume déplacé » dans l’énoncé d’Archimède. Cet objet subit une poussée d’Archimède notée P_A , une force qui s’exerce vers le haut ; une force d’autant plus intense que le volume immergé est grand : sa valeur sera le poids de ce même volume d’eau.

Flotte ou coule :

Bref, on l’aura compris, la poussée d’Archimède (qui pousse vers le haut) s’oppose toujours au poids de l’objet qui l’attire vers le fond. Selon que la force d’Archimède est supérieure ou inférieure au poids de l’objet, ce dernier coule ou flotte. Regardons un exemple avec une bille d’acier et une bille de liège de mêmes dimensions qu’on lâche dans l’eau.

La différence entre l’acier et le liège, c’est qu’ils n’ont pas la même densité (pour le même volume, ils ont une masse différente).
Pour un volume identique, l’acier est 7 fois plus lourd que l’eau et liège est environ 5 fois plus léger que l’eau. Ainsi tout est une question de rapport de densités entre l’objet et le fluide.

• Si la densité du solide est supérieure à celle du fluide, alors le solide coule.
• Si la densité du solide est inférieure à celle du fluide, alors le solide remonte vers la surface. Il va flotter en se positionnant avec une ligne de flottaison, là où les deux forces vont exactement se compenser.

Retrouve une jolie animation sur la poussée d’Archimède en cliquant sur l’image ci-dessous :

Une histoire de bateaux

Les  bateaux qui sont pourtant en acier (densité plus élevée que celle de l’eau) flottent : en fait la densité globale moyenne est bien inférieure à celle de l’eau, car le bateau contient beaucoup d’air (seule la coque est en acier)

Cas des sous-marins
Les sous-marins contrôlent leur densité en utilisant des ballasts : ce sont des compartiments qui peuvent se remplir d’eau ou d’air.

Quand les ballasts sont remplis d’eau, le sous-marin plonge au fond, car il est trop lourd et la poussée d’Archimède ne compense pas son poids.

Lorsqu’il souhaite remonter, de l’air comprimé est introduit dans les ballasts ce qui chasse l’eau. Quand le dosage air-eau est correct, le poids et la poussée d’Archimède se compensent et le sous-marin flotte entre deux eaux.

Avec les ballasts complètement remplis d’air, le sous-marin remonte à la surface.

Autres applications :

Des œufs frais s’en vont au fond de l’eau ; s’ils flottent, c’est qu’ils ne sont plus très frais et qu’ils ont déjà perdu une partie de leur masse par dessèchement du contenu. Dans de l’eau très salée, les œufs frais flottent également, car dans cette eau plus dense, ils ne peuvent pas aller au fond.

La plupart des poissons sont équipés d’une vessie natatoire : un organe qu’ils peuvent remplir de gaz ou non, pour devenir plus ou moins dense. Ils peuvent ainsi mieux se déplacer entre la surface et le fond de l’eau. Si tu veux en savoir plus, rendez-vous ici.

Enfin, si tu cherches à savoir pourquoi le caca flotte ou coule, rendez-vous ici.

A bientôt !

Texte : Pascale  Baugé – Le Monde et Nous
Illustrations : Karim Madjer – Sweet Random Science