La poussée d’Archimède est la force verticale dirigée vers le haut qu’un fluide (liquide ou gaz) exerce sur tout corps immergé. Elle est égale au poids du volume de fluide déplacé par l’objet. Cette loi fondamentale, au programme de 3e, explique la flottaison.
Observer expérimentalement la poussée d’Archimède
Avec l’application FizziQ, il est possible d’explorer la poussée d’Archimède sans immerger le smartphone, en analysant la flottaison d’un objet à partir d’une photo ou d’une vidéo.
Étapes :
- Faire flotter un objet régulier (glaçon, morceau de bois, bouteille partiellement lestée) dans un récipient d’eau
- Photographier ou filmer l’objet de côté avec le smartphone pour repérer nettement la ligne de flottaison
- Mesurer sur l’image la fraction immergée V_immergé / V_total
- En déduire la masse volumique de l’objet : ρ_objet = ρ_eau × (V_immergé / V_total)
- Comparer cette valeur à celle obtenue par une pesée et une mesure directe du volume
Activités scientifiques sur ce thème
Prolongements possibles : estimation de la masse volumique par la fraction immergée, étude de la flottaison et principe du sous-marin à ballasts.
En savoir plus
Énoncé du principe :
“Tout corps plongé dans un fluide au repos subit une force verticale, dirigée de bas en haut, égale au poids du fluide déplacé.”
Condition de flottaison :
| Condition | Comportement |
|---|---|
| ρ_objet < ρ_fluide | L’objet flotte |
| ρ_objet = ρ_fluide | L’objet est en équilibre |
| ρ_objet > ρ_fluide | L’objet coule |
Origine physique :
La poussée d’Archimède résulte de la différence de pression entre le bas et le haut de l’objet. La pression augmente avec la profondeur, donc la force sur la face inférieure est plus grande que sur la face supérieure.
Applications :
- Les bateaux flottent car leur masse volumique moyenne (coque + air) est inférieure à celle de l’eau
- Les sous-marins ajustent leur masse volumique en remplissant ou vidant leurs ballasts
- Les ballons d’hélium flottent dans l’air car ρ_He < ρ_air
Formule
Poussée d’Archimède : F_A = ρ_fluide × V_immergé × g
Condition de flottaison : F_A ≥ P_objet → ρ_fluide × V_immergé × g ≥ m_objet × g
Pour un objet flottant (équilibre) : V_immergé / V_total = ρ_objet / ρ_fluide
où :
- F_A : poussée d’Archimède (N)
- ρ_fluide : masse volumique du fluide (kg/m³)
- V_immergé : volume de la partie immergée (m³)
- g : accélération de la pesanteur (m/s²)
Exemples d’application
- Un iceberg flotte avec 90% de son volume sous l’eau (ρ_glace/ρ_eau ≈ 0,9)
- Un nageur flotte parce que sa masse volumique moyenne poumons pleins (ρ_corps ≈ 980 kg/m³) est légèrement inférieure à celle de l’eau : la fraction émergée vaut 1 - ρ_corps/ρ_eau ≈ 1 - 980/1000 = 0,02, soit à peine 2 % du volume (d’où seul le visage émerge). En vidant ses poumons, sa masse volumique dépasse 1000 kg/m³ et il coule
- Les poissons ajustent leur flottabilité grâce à leur vessie natatoire
- La Mer Morte permet de flotter facilement (ρ ≈ 1240 kg/m³)
FAQ
Q : Pourquoi un bateau en acier flotte-t-il alors que l’acier est plus dense que l’eau ? R : La coque contient beaucoup d’air. La masse volumique moyenne du bateau (acier + air intérieur) est inférieure à celle de l’eau.
Q : La poussée d’Archimède existe-t-elle dans l’air ? R : Oui ! Mais elle est très faible car ρ_air ≈ 1,2 kg/m³ est très petit. Un ballon d’hélium monte car il la subit.
Q : Comment étudier la poussée d’Archimède avec FizziQ ? R : Sans immerger le téléphone : on photographie ou on filme un objet qui flotte, on mesure sa fraction immergée sur l’image, puis on en déduit sa masse volumique par la relation V_immergé / V_total = ρ_objet / ρ_eau.
Q : Un sous-marin flotte-t-il différemment en eau douce et en eau salée ? R : Oui, l’eau salée étant plus dense, la poussée est plus forte. Il faut ajuster les ballasts.
Concepts liés
Masse volumique - Pression - Flottaison - Équilibre des forces - Hydrostatique - Poids apparent