Pression

La pression est une grandeur physique qui caractérise la force exercée perpendiculairement à une surface, rapportée à l’aire de cette surface : P = F/S. L’unité SI est le pascal (Pa), équivalent à un newton par mètre carré (N/m²).

Observer expérimentalement la pression

Avec FizziQ et FizziQ Connect, vous pouvez mesurer la pression :

Étapes :

• Ouvrir FizziQ et sélectionner le baromètre. Relever la pression dans la salle : on attend une valeur voisine de 1013 hPa, plus faible si l’établissement est en altitude.
• Comparer la valeur affichée à celle annoncée par la station météo locale. L’écart s’explique souvent par le fait que les bulletins publient une pression ramenée au niveau de la mer, alors que le capteur mesure la pression réelle du lieu.
• Lancer un enregistrement, monter puis descendre un étage avec le smartphone : la pression diminue d’environ 0,4 hPa par étage (environ 1 hPa pour 8 m).
• Convertir la variation de pression en variation d’altitude, puis comparer à la hauteur réelle mesurée au décamètre dans la cage d’escalier.
• Recommencer la même montée quelques heures plus tard : l’altitude déduite a bougé, car la pression de référence a changé avec la météo. En déduire la nécessité d’un recalage avant chaque mesure.
• Enfermer le smartphone dans un sac plastique hermétique et presser doucement le sac : la pression mesurée augmente, ce qui montre que le capteur mesure bien la pression du gaz qui l’entoure.

Activités scientifiques sur ce thème

• Loi de Gay-Lussac et zéro absolu (1re-Supérieur) - suivre la pression d’un gaz à volume constant quand la température varie, et extrapoler jusqu’à P = 0.
• Loi de Boyle-Mariotte : PV = cte (1re-Supérieur) - comprimer un volume de gaz enfermé et vérifier que le produit de la pression par le volume reste constant.
• Clepsydre et loi de Torricelli (1re-Supérieur) - relier la pression hydrostatique dans un récipient percé à la vitesse d’écoulement du liquide.
• Toilettes et pression atmosphérique

En savoir plus

Unités courantes

• 1 Pa = 1 N/m²
• 1 hPa = 100 Pa (utilisé en météorologie)
• 1 bar = 100 000 Pa
• 1 atm = 101 325 Pa (pression atmosphérique standard)

Pression atmosphérique

La pression atmosphérique au niveau de la mer est d’environ 1013 hPa. Elle diminue avec l’altitude d’environ 1 hPa par 8 mètres près du sol.

Interprétation microscopique

Dans un gaz, la pression résulte des chocs des molécules contre les parois. Plus les molécules sont nombreuses et rapides (température élevée), plus la pression est grande. Cette interprétation explique aussi pourquoi la pression d’un fluide au repos n’a pas de direction privilégiée : en un point donné, elle s’exerce identiquement dans toutes les directions.

Pression absolue et pression relative

La pression absolue se compte à partir du vide : elle est toujours positive. La pression relative, ou pression effective, se compte à partir de la pression atmosphérique ambiante ; elle peut donc être négative en cas de dépression. Un manomètre de pompe à vélo affiche une pression relative : lire « 3 bar » signifie 3 bar de plus que l’atmosphère, soit environ 4 bar en absolu. Le baromètre d’un smartphone, lui, mesure une pression absolue : c’est ce qui permet de l’utiliser directement en météorologie et en altimétrie.

Pression hydrostatique

Dans un liquide au repos, la pression augmente avec la profondeur selon p = p₀ + ρgh. Elle ne dépend ni de la forme du récipient ni de la quantité de liquide, seulement de la hauteur au-dessus du point considéré : c’est le paradoxe hydrostatique. Dans l’eau, chaque tranche de 10 m ajoute environ 1 bar, soit à peu près une atmosphère. À 10 m de profondeur, un plongeur subit donc environ 2 bar en absolu.

Altimétrie barométrique et dérive météorologique

Comme la pression décroît avec l’altitude, on peut inverser la relation pour estimer une altitude : c’est la formule du nivellement barométrique. La méthode a une limite structurelle : elle suppose connue la pression au niveau de référence, or celle-ci varie avec la météo, de l’ordre de plusieurs dizaines d’hectopascals entre un anticyclone et une dépression. Une variation de 10 hPa se traduit par une erreur d’altitude d’environ 80 m. Un altimètre barométrique doit donc être recalé régulièrement sur un point d’altitude connue. En revanche, les différences d’altitude mesurées sur quelques minutes restent fiables, car la météo n’a pas le temps d’évoluer.

Ordres de grandeur

Vide interstellaire : environ 10⁻¹⁷ Pa. Pression atmosphérique au niveau de la mer : 1013 hPa. Au sommet du mont Blanc (4 809 m) : environ 550 hPa. Pression exercée par une feuille de papier posée à plat : environ 0,1 Pa. Sous le talon d’une chaussure à talon aiguille : plusieurs MPa, davantage que sous une patte d’éléphant. Pneu de voiture : environ 2,5 bar relatifs. Cocotte-minute : environ 1,8 bar absolus. Fosse des Mariannes (11 000 m) : environ 1100 bar. Centre de la Terre : environ 3,6 × 10¹¹ Pa.

Formule

Définition de la pression, pour une force exercée perpendiculairement à une surface :

P = F/S

où :

• P : pression (Pa)
• F : force pressante, normale à la surface (N)
• S : aire de la surface pressée (m²)

Pression hydrostatique dans un liquide au repos, à la profondeur h :

P = P₀ + ρgh

où :

• P₀ : pression à la surface libre, souvent la pression atmosphérique (Pa)
• ρ : masse volumique du liquide (kg/m³)
• g : intensité de la pesanteur, 9,81 N/kg
• h : profondeur sous la surface libre (m)

Loi des gaz parfaits :

PV = nRT

où :

• V : volume occupé par le gaz (m³)
• n : quantité de matière (mol)
• R : constante des gaz parfaits, 8,314 J·mol⁻¹·K⁻¹
• T : température absolue (K)

Loi de Gay-Lussac, à volume constant :

P₁/T₁ = P₂/T₂

Loi de Boyle-Mariotte, à température constante :

P₁V₁ = P₂V₂

Exemples d’application

• Une personne de 60 kg debout sur ses deux pieds (surface de contact d’environ 300 cm²) exerce une pression de 600 / 0,03 = 2,0 × 10⁴ Pa, soit 0,2 bar. En équilibre sur un talon aiguille de 1 cm², la même personne dépasse 6 × 10⁶ Pa.

• Un plongeur descendu à 20 m subit une pression absolue de 1013 hPa + 1000 × 9,81 × 20 ≈ 3,0 × 10⁵ Pa, soit environ 3 bar : le volume d’air de ses poumons serait divisé par trois s’il retenait sa respiration en remontant.

• Le baromètre d’un smartphone permet de compter les étages d’un immeuble : environ 0,4 hPa par étage de 3,4 m, largement au-dessus de la résolution du capteur.

• En météorologie, une chute rapide de la pression annonce l’arrivée d’une dépression et de précipitations ; une pression stable au-dessus de 1020 hPa signale un régime anticyclonique.

• Une cocotte-minute fonctionne à environ 1,8 bar absolus, ce qui porte la température d’ébullition de l’eau à près de 117 °C et accélère la cuisson.

• Les skis et les raquettes à neige augmentent la surface de contact pour diminuer la pression exercée sur la neige, et éviter l’enfoncement.

FAQ

Q : La pression est-elle une force ? R : Non. La pression est une force par unité de surface : elle s’exprime en pascals, pas en newtons. Une même force de 100 N produit une pression très différente selon qu’elle s’applique sur 1 cm² ou sur 1 m². C’est aussi une grandeur scalaire, sans direction, alors qu’une force est un vecteur.

Q : Pourquoi le baromètre de mon téléphone n’affiche-t-il pas 1013 hPa ? R : Parce que 1013 hPa est une valeur de référence au niveau de la mer, pas une constante. La pression réelle dépend de l’altitude du lieu et de la situation météorologique du jour : entre 980 et 1040 hPa au niveau de la mer selon les conditions, et bien moins en altitude.

Q : La pression hydrostatique dépend-elle de la forme du récipient ? R : Non. À une profondeur donnée dans un liquide au repos, la pression ne dépend que de cette profondeur, de la masse volumique du liquide et de la pression en surface. Un tube fin et une piscine remplis à la même hauteur donnent la même pression au fond, même si les volumes d’eau sont très différents.

Q : Pourquoi l’altitude mesurée par le smartphone change-t-elle alors que je n’ai pas bougé ? R : Le capteur mesure une pression absolue, et l’altitude en est déduite en supposant une pression de référence au niveau de la mer. Quand la météo évolue, cette référence change et l’altitude calculée dérive, typiquement de plusieurs dizaines de mètres en une journée. Il faut recaler l’altimètre sur un point connu avant chaque série de mesures.

Q : Quelle est la différence entre le bar, l’atmosphère et le pascal ? R : Le pascal est la seule unité du Système International (1 Pa = 1 N/m²), mais il est très petit devant les pressions usuelles. Le bar vaut exactement 100 000 Pa, l’atmosphère normale 101 325 Pa : les deux sont donc proches à 1,3 % près, sans être égales. En météorologie on utilise l’hectopascal, qui vaut 100 Pa, si bien que 1 bar = 1000 hPa.

Concepts liés

Pression atmosphérique - Pression hydrostatique - Baromètre - Loi des gaz parfaits - Loi de Boyle-Mariotte - Poussée d’Archimède - Force pressante - Masse volumique - Altimétrie barométrique