Transport Leçon : Déplacement dans un fluide T 5

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1 Transport Leçon : Déplacement dans un fluide T 5 Introduction On a donc ici choisi de découper ce chapitre en deux leçons la première (221.05) concernait la pression, la deuxième concernera les conditions de flottabilité dans un liquide et les moyens de se déplacer dans l air. Pré requis : Il n y a pas de pré-requis spécifiques à cette leçon Déplacement dans un fluide (T 5) Cours 1-5

2 1- Dans l eau La poussé d Archimède. q Document 1 : Activité 1 : Matériel : Une masse inconnue, un dynamomètre, une éprouvette graduée. Manipulations : 1) Suspendre la masse inconnue au dynamomètre et relever la valeur de son poids. 2) Remplir les cases du tableau prévues à cet effet. 3) Remplir l éprouvette exactement à un volume de votre choix et noter cette valeur dans le tableau. 4) En laissant la masse accrochée au dynamomètre, plonger la dans l éprouvette graduée jusqu'à son immersion totale. 5) Remplir alors la deuxième ligne du tableau. 6) Plonger la masse dans l éprouvette graduée et mesurer le nouveau volume obtenu. Reporter cette valeur dans la case du tableau prévu à cet effet. Nom Intensité (N) Sens Direction Poids dans l'air F Poids dans l'eau F Différence Volume avant immersion V 1 Volume après immersion V 2 Différence V D = V 2 V 1 La poussée d Archimède Tout corps plongé dans un liquide est soumis de la part de ce liquide à une force qui a tendance à repousser ce corps. Cette force porte le nom de Poussé d Archimède. Les caractéristiques de cette force sont :. direction : verticale. sens : vers le haut. intensité : elle dépend du liquide Déplacement dans un fluide (T 5) Cours 2-5

3 q Document 2 : Activité 2 On vous demande maintenant de répondre aux questions suivantes : 1) Convertir le volume V D en m 3. On rappelle que le Poids (en N) du liquide déplacé est donné par la formule P = x g x V Avec : - : la masse volumique du liquide déplacé ici = 1000 kg/m 3 - g : l intensité de pesanteur on prendra ici g = 9,81 N/kg - V : le volume du liquide déplacé V D. 2) Calculer le poids de l eau déplacé. 3) Comparer cette valeur à. Que remarquez-vous? 4) Comment expliquez-vous cette différence? L intensité de la poussée d Archimède est égale au poids du liquide déplacé. q Document 3 : Culture Archimède de Syracuse né à Syracuse vers 287 av. J.-C. et mort à Syracuse en 212 av. J.-C., est un grand scientifique grec de Sicile (Grande Grèce) de l'antiquité, physicien, mathématicien et ingénieur. Bien que peu de détails de sa vie soient connus, il est considéré comme l'un des principaux scientifiques de l'antiquité classique. Parmi ses domaines d'étude en physique, on peut citer l'hydrostatique, la mécanique statique et l'explication du principe du levier. Il est crédité de la conception de plusieurs outils innovants, comme la vis d'archimède. Archimède est généralement considéré comme le plus grand mathématicien de l'antiquité et l'un des plus grands de tous les temps. Il a utilisé la méthode d'exhaustion pour calculer l'aire sous un arc de parabole avec la somme d'une série infinie et a donné un encadrement de Pi d'une remarquable précision. Il a également introduit la spirale qui porte son nom, des formules pour les volumes des surfaces de révolution et un système ingénieux pour l'expression de très grands nombres. Archimède est mort pendant le siège de Syracuse où il a été tué par un soldat romain qui a agi malgré les ordres qui demandaient de ne pas nuire à Archimède. Source : Wikipédia 1.2- Les conditions de flottabilité. q Document 4 : Le centre de Poussée Quand un corps flotte sur un liquide au repos, la valeur du poids P est égale au poids du liquide déplacé par la partie immergé, c est-à-dire à la force F de la poussée d Archimède. Le point d application de P est le centre de gravité du solide, on le note G. La poussée d Archimède s applique au centre de gravité du liquide déplacé. On note ce point C et on l appelle Centre de poussée. A l aide du document suivant tracer pour chaque position, la verticale du centre de poussée, puis indiquer si le corps flottant retrouve sa position d équilibre ou non. Dans la position 1, le corps flottant. Dans la position 2, le corps flottant. Condition de flottabilité Le couple de forces qui apparait redressera le bateau dans sa position initiale tant que le point d intersection M de l axe de symétrie du bateau et de la verticale passant par le centre de poussée sera au dessus du centre de gravité G Déplacement dans un fluide (T 5) Cours 3-5

4 Deux cas : Le centre de poussée C est au dessus du centre de gravité G : Si les deux points ne sont pas alignés, le couple de forces ( P, P ) qui apparaît redressera le solide dans sa position verticale : l équilibre est alors stable. Le centre de poussée C est en dessous du centre de gravité G : Si les deux points ne sont pas alignés, le couple de forces ( P, P ) qui apparaît, fera chavirer le solide : l équilibre est alors instable. A A Pour pouvoir «descendre» le centre de gravité d un bateau, on ajoute un leste («la quille») sous la coque du bateau. 2- Dans l air. q Document 5 : S élever dans l atmosphère L air est un fluide de masse volumique air = 1,293 kg/m 3 au voisinage du sol (jusqu à quelques centaines de mètres), faible par rapport à celles des liquides. Il est possible pour des solides de s y élever ; c est le cas des ballons sondes (destinés à emporter des appareils de mesure dans l atmosphère) ou de montgolfières. Ces deux types d appareils fonctionnent sur le même principe : les ballons sondes sont remplis de gaz, les montgolfières sont remplies d air que l on chauffe grâce à un bruleur embarqué. Un ballon sonde comprend une enveloppe, des accessoires et des appareils à emporter. 1- Préciser à quelles actions est soumis l ensemble du ballon et des appareils. 2- Indiquer à quelle condition l ensemble pourra s élever dans l air. 3- Préciser comment doit être la masse volumique du gaz remplissant le ballon par rapport à celle de l air. 4- Indiquer quel est l intérêt d un volume important pour l enveloppe. 5- Rechercher le nom de quelques gaz pouvant remplir cette condition. Les montgolfières sont constituées d enveloppes hermétiques élastiques remplies d air, d une nacelle équipée d un brûleur et de passagers. 6- Préciser pourquoi le fait de chauffer l air contenu dans une enveloppe permet à la montgolfière de s élever dans l air. 7- Dire, pourquoi, en cours de vol, le pilote est obligé de rallumer de temps en temps le brûleur. L air est un fluide ; des ballons constitués d une enveloppe pourront s y élever à condition de remplir l enveloppe soit par un fluide dont la masse volumique est plus faible que celle de l air, soit par de l air chauffé dont la masse volumique est plus faible que celle de l air à température ambiante. La taille du ballon doit pouvoir compenser le poids des éléments à déplacer. q Document 6 : Comment les avions volent-ils? Déplacement dans un fluide (T 5) Cours 4-5

5 Mode Opératoire : 1. Plier une bande de papier de façon à avoir une partie bombée et coller ses deux extrémités. 2. Enfiler une règle dans une bande de papier et souffler sur la partie bombée. 3. Observer le mouvement de l aile. Observations : Quel mouvement effectue la queue de la feuille de papier (derrière la partie bombée)? Lorsque l on souffle sur la feuille, que peut-on dire de la pression sous la feuille par rapport à celle au dessus? Interprétation : L air qui circule au dessus de la feuille a une vitesse. à celle de l air qui circule dessous ; En effet l air qui circule au dessus de la feuille a un chemin plus long à parcourir que l air qui circule en dessous, pour un même temps donné. Lorsque la vitesse du fluide augmente, il apparaît une.. (diminution de la..) autour de l aile. La vitesse étant supérieure au dessus de l aile, la dépression est alors plus.. qu en dessous ; ainsi l aile ainsi est «aspirée» vers le : c est la «portance». Cette poussée verticale et dirigée vers le haut permet de compenser le poids de la feuille. Lorsqu un fluide est en mouvement le long d un solide, plus la vitesse du fluide est importante, plus la pression sur la surface du solide est faible.ce phénomène est connu sous le nom d effet VENTURI. Les forces qui s exercent sur la feuille sont dues aux pressions (F = p x S) exercée par l air au dessus et au dessous de la feuille. La pression de l air au dessous de la feuille est inférieure à la pression de l air au dessus de la feuille. C est l EFFET VENTURI. L effet VENTURI montre qu au sein d un fluide, l accroissement de la vitesse s accompagne d une diminution de la pression. q Document 7 : Contre exemple : les ailerons des voitures de sport Le flux d air est scindé en deux au niveau du bord d attaque se reconstitue au niveau du bord de fuite. L écoulement d air sous l aileron est plus long que l écoulement d air au dessus de l aileron. La vitesse de l air sous l aileron est plus grande que la vitesse de l air au dessus de l aileron. D après l effet VENTURI, la pression de l air sous l aileron est inférieure à la pression de l air au dessus de l aileron. La différence de pression est à l origine d une force verticale, dirigée vers le bas, qui plaque la voiture au sol Déplacement dans un fluide (T 5) Cours 5-5