Principe d'Archimède et notion de flottabilité

Pourquoi la bouteille semble-t-elle moins lourde dans l'eau ?
Pourquoi le plongeur se sent-il lui-même plus léger une fois immergé ?
Pourquoi certains objets coulent et d'autres flottent ?
Pourquoi met-on une ceinture de plomb en plongée ?
Pourquoi est-on plus lourd au fond ?

Toutes ces questions démontrent qu'il y a une relation entre le poids et le volume d'un corps pour son équilibre dans l'eau.
Les notions que nous allons aborder permettent de répondre à ces questions et d'aborder les techniques de lestage et d'équilibrage du plongeur.
Ces techniques sont essentielles car un bon équilibre dans l'eau augmentera le plaisir ressenti en plongée et vous permettra de vous concentrer sur le principal : la faune et la flore.

Retour au Sommaire Mise en évidence - Principe d'Archimède - Poids apparent et flottabilité - Applications à la plongée - Densité

Mise en évidence expérimentale Considérons l'expérience illustrée par les trois figures suivantes. Sous le plateau d'une balance nous suspendons un objet. Sur ce même plateau nous posons un récipient vide. Nous équilibrons la balance. Nous plaçons sous le solide suspendu un récipient rempli d'eau à raz bord. Ce récipient est posé sur un support élévateur.

Nous montons le récipient de manière à immerger totalement le solide suspendu. En même temps nous recueillons l'eau qui déborde. Nous observons que dès que l'objet pénètre dans l'eau l'équilibre de la balance est rompu : l'objet semble plus léger. Cela signifie que l'immersion du solide fait apparaître une force dirigée vers le haut.

Transvasons l'eau qui a débordé, dans le récipient sur le plateau auquel est suspendu l'objet. Nous constatons que nous rétablissons ainsi l'équilibre de la balance. Donc le poids de l'eau ayant débordé compense la force induite par l'immersion de l'objet. Nous pouvons remarquer que ce volume de l'eau est identique à celui de l'objet.

Nous pouvons renouveler la même expérience avec des objets de formes diverses et réalisés avec des matériaux différents. Nous pouvons utiliser d'autres liquides. Nous observons toujours le même résultat. Cette expérience nous montre qu'un solide immergé est soumis à une force dirigée vers le haut et dont l'intensité est égale au poids du liquide renversée. C'est ce principe qu'a énoncé un célèbre savant de l'Antiquité : Archimède.

Principe d'Archimède Tout corps plongé dans un fluide reçoit de la part de ce fluide une poussée verticale dirigée de bas en haut, égale au poids du fluide déplacé et s'exerçant au centre de gravité du volume de fluide déplacé.

On appelle cette force la poussée d'Archimède. C'est grâce à elle que les bateaux flottent. On parle de fluide car le principe d'Archimède s'applique également aux gaz. Il permet par exemple d'expliquer le vol des "plus légers que l'air" : montgolfières et autres ballons. Ce principe s'applique à tout corps partiellement immergé.

Poids apparent et flottabilité Lorsque le plongeur s'immerge, cela met en jeu 2 forces qui s'opposent : son poids réel, qui a tendance à le faire couler, et la poussée de l'eau, aussi appelée la poussée d'Archimède. Le poids du plongeur immergé est appelé poids apparent, il est égal au poids réel du plongeur, diminué de la poussée d'Archimède.

Poids apparent = Poids réel - poussée d'Archimède Flottabilité : Dans l'eau, certains corps flottent, d'autres coulent ou reste entre deux eaux. Les corps ont donc une flottabilité différente selon leur nature.

C'est le poids apparent du plongeur qui détermine sa flottabilité dans l'eau :           Poids Apparent                     Flottabilité                 Effet P. App > 0   Flottabilité négative Le plongeur coule         P. App = 0 Flottabilité neutre           Le plongeur est en l'équilibre P. App < 0 Flottabilité positive             Le plongeur remonte ou flotte

Les applications en plongée Le plongeur jouera sur les éléments suivants pour faire varier sont poids apparent et ainsi s'équilibrer dans l'eau : Le Lestage Le lestage permet d'augmenter son poids apparent (il augmente sensiblement le poids réel sans beaucoup faire varier le volume d'eau déplacé). Le Gilet Stabilisateur Le gilet stabilisateur permet en le gonflant d'augmenter le volume d'eau déplacé sans faire varier le poids réel du plongeur. Son poids apparent diminue donc et cela permet au plongeur de s'équilibrer à toute profondeur ou de remonter. Le Poumon Ballast Le poumon ballast agit de la même façon que le gilet : lorsque le plongeur gonfle ses poumons, il diminue son poids apparent et inversement. D'autres éléments agissent sur la flottabilité : Parachute de relevage Si l'on veut remonter un objet lourd du fond, il vaut mieux demander à Archimède de nous aider plutôt que de nous risquer un essoufflement. On augmente donc le volume de l'objet sans augmenter son poids. Le poids de la bouteille Le poids de la bouteille qui agit comme un lest. A noter que le poids réel de la bouteille diminue au cours de la plongée (consommation d'air), en fin de plongée la bouteille est plus légère d'environ 3 kg. Il faut donc en tenir compte lors du lestage. De même le lestage devra être adapté au type de bouteille, une bouteille en alu étant plus légère qu'une bouteille acier. La combinaison de plongée La combinaison agit comme une "bouée" en augmentant le volume du plongeur sans en faire varier significativement le poids réel. Donc plus un plongeur porte une combinaison épaisse, plus son lestage sera important. A noter que le volume de la combinaison diminue avec la profondeur (la combinaison s'écrase) et donc que le plongeur est plus lourd au fond. La Densité La densité de l'eau. L'eau de mer est plus dense que l'eau douce, la poussée d'Archimède est donc plus importante en mer qu'en eau douce. Ainsi 1 litre d'eau douce pèse 1 kg, 1 litre d'eau de mer environ 1.024 kg et 1 litre d'eau de mer à forte salinité (Mer Rouge) 1.035 kg. Ce paramètre doit donc être pris en compte lors du choix du lestage.

La Densité La densité d'un corps, c'est le rapport de la masse volumique de ce  corps sur la masse volumique d'un autre corps pris comme référence. Ce dernier est l'eau pour les liquides et les solides, l'air pour les gaz. La densité est une grandeur sans dimension et sa valeur s'exprime donc sans unité de mesure. La densité de l'eau douce est de 1 => 1 litre d'eau douce à une masse de  1 Kg La densité d'un litre d'eau de mer est de 1,024  => 1 litre d'eau de mer à une masse de 1,024 Kg

Comportement d'un plongeur équipé en EAU DOUCE et en EAU DE MER à 4 m de profondeur (On se contentera de travailler sur les masses uniquement) Un plongeur est équilibré en eau de mer avec 5 Kg de lest et les volumes suivant : Plongeur et lest 80L Bloc 12L Combinaison 6L Gilet 4L Soit un total  de 102 Litres.

En EAU DE MER en équilibre 102 L x 1,03 densité = 105 Kg En EAU DOUCE en équilibre 102 L x 1 densité = 102 Kg

Pour ce plongeur la différence de lestage entre l'eau de mer et l'eau douce sera de 3 Kg

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