Pourquoi les paquebots flottent-ils?

De Wikidebrouillard.

Article incomplet en cours de rédaction

Cette page vise à imaginer tout un tas d'hypothèses possibles par rapport à une question donnée, et à proposer des protocoles expérimentaux visant à les tester.

Sommaire

1 Introduction
2 Hypothèse 1 : Les bateaux flottent car leur charge est bien répartie
3 Hypothèse 2 : Les bateaux flottent parce qu’ils ont un gros volume par rapport à leur masse
- 3.1 1. Expérience préliminaire
- 3.2 2. Pour comprendre
4 Hypothèse 3 : Les bateaux flottent car l'eau de mer est salée
5 Conclusion générale
6 Autres expériences sur le même thème

Introduction

Un bateau en granite qui flotte...

Pensez-vous qu’il est possible de faire flotter un bateau en pierre ? Pourquoi des paquebots de plus de 100 000 tonnes ne coulent-ils pas ? Nous vous proposons trois expériences faciles à réaliser pour amener quelques éléments de réponse.

Hypothèse 1 : Les bateaux flottent car leur charge est bien répartie

Pour tester cette hypothèse, nous proposons une expérience qui compare la flottaison d'une embarcation en fonction du nombre et de la répartition des charges à l’intérieur.

Matériel :

3 saladiers transparents

3 petits moules à cake

Du sable

Une dizaine de billes

De l'eau

Expérience :

Conclusion : Cette expérience permet de voir que l’équilibre des masses dans le bateau a une importance. En effet, pour une même masse, la barque ne flotte que si elle est équilibrée. Cependant, ce facteur ne suffit pas à lui seul à expliquer pourquoi un bateau flotte car la troisième expérience montre que même si la barque est équilibrée, à partir d’une certaine masse, elle coule quand même. L’équilibre des masses est donc un facteur important mais ce n'est pas le seul. Pour approfondir : La répartition des charges dans le bateau est importante car elle modifie l'emplacement du centre de gravité du bateau. Le centre de gravité (symbolisé par un G) est le point où l'on peut dire que l'effet de la masse totale du navire s'exerce verticalement vers le bas. Dans le cas d'un bateau, lorsque ce centre de gravité est déplacé trop loin du centre du bateau, celui ci est moins stable.

Fichier:Équilibre.JPG

Pour plus d'explications sur la stabilité d'un bateau : Stabilité des bateaux

Hypothèse 2 : Les bateaux flottent parce qu’ils ont un gros volume par rapport à leur masse

1. Expérience préliminaire

Nous proposons une petite manipulation qui permet de bien comprendre cette hypothèse.

Matériel :

De la pâte à modeler

Un saladier

De l'eau

Expérience : Faire une boule de pâte à modeler. La mettre dans l'eau et observer si elle flotte. Donner ensuite à cette même boule de pâte à modeler différentes formes (longue, plate, creuse,...) et observer la flottaison dans chacun de ces cas.

Qu'observe-t-on? Toutes les formes ont la même masse mais ne flottent pas de la même manière. Pour faire flotter la pâte à modeler, il faut lui donner une forme creuse.

Conclusion : En donnant une forme creuse à la pâte à modeler, on augmente le volume de l'objet que l'on veut faire flotter. On comprend donc avec cette expérience qu'il y a un lien entre le volume de l'objet et sa flottaison.

2. Pour comprendre

Pour confirmer cette hypothèse, nous proposons une expérience qui compare la flottaison dans 3 situations où pour une même masse, le volume de l'objet augmente.

Matériel :

3 bouteilles en plastique de 0,5L 1L et 1,5L

Du sable

Un entonnoir

Une bassine

Expérience : Prendre trois bouteilles d’eau de 50cl, 1L et 1,5L. Remplir la bouteille de 50cL de sable et placer dans les deux autres la même quantité de sable (de manière à ce qu'elles aient toutes la même masse) et reboucher les bouteilles. Remplir la bassine d’eau et y placer les 3 bouteilles horizontalement (bien répartir le sable).

Qu'observe-t-on? La bouteille de 50Cl coule et les deux autres non. On remarque que la bouteille de 1 L s'enfonce plus dans l'eau que celle de 1,5 L.

Conclusion : Pour une même masse, plus le volume augmente et plus la flottaison augmente. Un des facteurs intervenant dans la flottaison des bateaux vient donc du fait qu’ils ont un gros volume par rapport à leur masse.

Pour approfondir : Ce rapport entre le volume et la masse du bateau correspond à la masse volumique. La masse volumique d'un objet correspond au rapport de sa masse (exprimé en kilogrammes) par rapport à son volume (exprimé en m3).

Formule scientifique de la masse volumique :

La masse volumique de l'eau est de 1000 kg/m3, c’est a dire que 1 m3 d'eau pèse 1000 kilogrammes. Si la masse volumique d’un l'objet est plus grande que celle de l'eau, alors l'objet coule. Au contraire, si la masse volumique de l'objet est plus petite que celle de l'eau alors l'objet flotte.

Dans notre expérience, lorsqu'on augmente le volume des bouteilles (sans augmenter la masse) on diminue la masse volumique, qui devient inférieure à celle de l'eau. La flottaison augmente donc.

Hypothèse 3 : Les bateaux flottent car l'eau de mer est salée

Pour tester cette hypothèse, il est possible de réaliser une expérience testant l’influence de la salinité sur la flottaison.

Matériel :

Deux bouteilles en plastique de 1,5L

Une paire de ciseaux

De l'eau

Du sel

Deux oeufs

Expérience : Prendre deux bouteilles d’eau de 1,5L et les couper à mi-hauteur. Remplir l’une avec de l’eau douce et l’autre avec de l’eau salée (deux cuillères à soupe de sel). Plonger un œuf dans chacune des bouteilles.

Expérience détaillée sur la page suivante : Oeuf qui flotte

Qu'observe-t-on? L’œuf coule dans l’eau douce et flotte dans l’eau salée.

Conclusion : Cette expérience permet de montrer que la présence de sel dans l’eau a une influence sur la flottaison. Cependant, dans cette expérience, l’œuf coule dans l’eau douce. Hors, tous les bateaux ne coulent pas en eau douce. La présence de sel ne suffit donc pas à elle seule à expliquer pourquoi les bateaux flottent.

Pour approfondir : Lorsqu'on ajoute du sel dans l'eau, on augmente la masse sans changer le volume. Donc la masse volumique de l’eau augmente. Nous avons vu dans l'hypothèse 2 qu'un objet flotte si sa masse volumique est inférieure à celle de l'eau. Plus la masse volumique d'un bateau est inférieure à celle de l'eau, plus il flotte facilement. Si la masse volumique de l'eau augmente, grâce au sel, les bateaux flottent donc mieux.

Conclusion générale

La flottaison des bateaux est un phénomène complexe qui fait intervenir plusieurs facteurs. Les expériences précédentes nous ont permis de mettre en évidence certains de ces facteurs :

La salinité semble favoriser la flottaison
L’équilibre des charges semble être un facteur nécessaire
Le dépassement d’une charge limite entraine le naufrage du bateau
La masse volumique du bateau est un facteur déterminant

Les expériences que nous avons proposées ne permettent pas de mettre en évidence le rôle prépondérant de chacun de ces facteurs. Ceux-ci sont bien évidemment non exhaustifs.

Pour approfondir :

Nous avons montré le rôle important de la masse volumique dans ce phénomène. La masse volumique a été mise en évidence par Archimède au IIIè siècle av.JC. Il a alors remarqué que son corps flottait en partie dans sa baignoire, et fait le lien entre le volume immergé de son corps et la poussée du liquide qui nous permet de flotter.

La poussée d'Archimède est une force qui agit verticalement vers le haut et dépend de la masse de liquide déplacé. D'ailleurs, la poussée d'Archimède se manifeste aussi dans l'air, elle permet aux montgolfières de monter grâce à l'air chaud contenu dans le ballon.

Dans l'exemple ci-dessous, le poids de l'objet est une force vers le bas qui s'applique au centre de gravité de l'objet G, et la poussée d'Archimède est une force vers le haut qui s'applique au point P.

Si la poussée d'Archimède est au moins égale au poids alors le bateau flotte sur l'eau ou la montgolfière flotte dans l'air.