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 poids
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 poids dans le bateau a une importance. En effet, pour un même poids, 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’un certain poids, elle coule quand même. L’équilibre des poids est donc un facteur important mais ne suffit pas à lui seul. Pour plus d'explications sur la stabilité d'un bateau, se reporter aux pages suivantes : -Stabilité des bateaux -Notion de centre de gravité

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

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 différente forme (longue, plaque, creuse,...) et observer la flottaison dans chacun de ces cas.

Qu'observe-t-on? Toute les formes ont le même poids 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 qu'il y a un lien entre le volume de l'objet et sa flottaison.

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

Matériel :

3 bouteilles en plastiques 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 le même poids) 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 intervenants dans la flottaison des bateaux vient donc du fait qu’ils ont un gros volume par rapport à leur poids.

Pour approfondir : Ce rapport entre le volume et le poids du bateau correspond à la masse volumique. Ce qui permet à un objet de flotter sur l’eau c’est la valeur de la masse volumique. La masse volumique d'un objet est le rapport de sa masse (ce que l’on exprime en kilogrammes, c’est à dire son poids) avec son volume (c’est dire la place qu’il prend 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 1000 kilogrammes d'eau équivaut à un volume de 1 m3 d'eau. Si la masse volumique d’un l'objet est plus grande que celle de l'eau, alors l'objet coule. Par contre, 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. Cela est dû au fait que le sel augmente la densité de l’eau. 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.

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 mettre en évidence le rôle prépondérant de chacun de ces facteurs. Ceux-ci ne sont bien évidemment pas exhaustifs.