Structure des sous-marins MIR 1/2

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1 Structure des sous-marins MIR 1/2 Quelle forme donner à l habitacle pour accueillir les plongeurs? L habitacle : le choix de la forme Pour une épaisseur donnée, les formes arrondies résistent mieux aux forces dues à la pression. Le choix ne repose pas que sur cet unique critère, mais aussi sur l hydrodynamisme et la facilité de construction qui sont également des facteurs importants. Le choix s est porté sur une sphère, elle-même enchâssée dans une coque ellipsoïdale. Il y a des ouvertures à prévoir dans cette sphère. Un panneau de 45 centimètres de diamètre suffit pour y pénétrer. Trois hublots (deux latéraux de 12 cm de diamètre et un frontal de 20 cm) permettent une vue correcte de l extérieur sans trop en affaiblir la résistance. Sachant que plus de 97 % des fonds marins sont à moins de 6000 mètres, les MIR ont été conçus pour résister à cette profondeur. Par sécurité toutefois, la sphère a été conçue pour résister à une pression bien supérieure correspondant à une profondeur de 9000 m. L habitacle des MIR est une sphère épaisse de 5 cm faite à partir d une combinaison de nickel (5-9%) et d acier, avec un diamètre intérieur de 2,1 m. La longueur totale du submersible est de 7,8 m et sa masse de 18,6 tonnes. Structure MIR (1 ère partie) 1/5

2 Poussée d Archimède Dans les deux cas des figures ci-contre, il y a une force (l attraction terrestre) qui attire le ballon verticalement vers le bas et le fait tomber. Dans les deux cas, une force verticale, mais orientée vers le haut agit sur le ballon. Dans l air, il est difficile de s en rendre compte, mais dans le second cas, il suffit d essayer d enfoncer le ballon dans l eau pour sentir qu il y a une force qui s y oppose : cette force est appelée Poussée d Archimède. Cette poussée est d autant plus grande que le ballon est volumineux : elle est égale au poids du volume du liquide déplacé. Sachant que le volume d un ballon de foot est d environ 5,3 dm 3 et que 1 dm 3 d air a une masse d environ 1,29 g, calculer la Poussée d Archimède dans l air. Le ballon ayant une masse d environ 430 g, explique pourquoi il tombe. Dans l eau, le poids du ballon et la poussée d Archimède ont la même intensité, mais les 2 forces agissent en sens contraire. Si l on enfonce le ballon, la poussée augmente (car on déplace plus d eau) et la force exercée s ajoute à la force de pesanteur. L habitacle des MIR est une sphère épaisse de 5 cm faite à partir d une combinaison de nickel (5-9%) et d acier, avec un diamètre intérieur de 2,1 m. La longueur totale du submersible est de 7,8 m et sa masse de 18,6 tonnes. Masses volumiques Acier 7, kg/m 3 Nickel 8, kg/m 3 Eau de mer 1, kg/m 3 Un problème... des solutions 1. Calculer le volume extérieur de la sphère. 2. Calculer la masse de cette sphère en supposant que l alliage est fait de 7% de nickel et 93% d acier. (On néglige les ouvertures et on suppose que le volume de l alliage correspond à la somme des volumes des 2 métaux) 3. Que se passe-t-il lorsqu on plonge cette sphère dans la mer? 4. Calculer l arête d un cube ayant le même volume intérieur que celui de la sphère. Calculer la masse de ce cube ainsi que son aire totale sachant que l épaisseur des parois est également de 5 cm. 5. Comparer la masse et l aire du cube à celles de la sphère. 6. Rediscuter ces résultats par rapport au choix de la sphère. Prendre en compte le fait qu à la surface de l eau, l air exerce une pression d environ 10 N/cm 2 et qu à 6000 m de profondeur, l eau exerce une pression voisine de N/cm Calculer la force totale s exerçant sur l extérieur de la sphère et du cube à 6000 m de fond. 2/5 Structure MIR (1 ère partie)

3 Bricotest Réaliser l expérience suivante : Prendre un cylindre le plus haut possible (au moins 40 à 50 cm). Le remplir d huile. Choisir une sphère, un cylindre et un cube (ou un parallélépipède rectangle) ayant si possible des volumes assez semblables, puis s arranger pour qu ils aient la même masse. On peut remplir de sable une balle de ping-pong, une boîte vide de film et une boîte métallique. Les laisser tomber de la surface dans le cylindre rempli d huile, puis mesurer le temps que met chacun des objets pour toucher le fond. Attention : il faut protéger le fond du récipient si les objets sont métalliques. Comparer ces temps : sont-ils en rapport avec tes attentes? Tu peux visionner cette expérience sur Tableau de mesures des coefficients de traînée. (Wikipedia) Structure MIR (1 ère partie) 3/5

4 Inventeurs Le savant suisse Auguste Piccard était un passionné d aventures scientifiques. En août 1932, il a atteint avec Paul Kipfer, l altitude incroyable pour l époque de m, à l aide d un ballon libre le F.N.R.S 1, l expédition était financée par le Fond National pour la Recherche Scientifique. C était un énorme ballon auquel était suspendue une sphère métallique de conception étanche. Un des buts de ce vol était d étudier le rayonnement cosmique. En inventant la cabine pressurisée, A. Piccard a ouvert la voie à l aviation moderne. Après son dernier vol en 1937, il consacra son temps à réaliser son rêve de jeunesse : plonger dans l océan plus profondément qu aucun homme ne l avait jamais fait. A cet effet, il inventa le «bathyscaphe». Le bathyscaphe (du grec «bathus», profond et «skaphos», barque) se compose d un flotteur sous lequel est fixée une sphère métallique où se tient l équipage. Ce flotteur est rempli de litres d essence d aviation, moins dense que l eau : c est comme une énorme bouée, alourdie pour la descente par de la grenaille de fer, elle-même retenue par des électro-aimants alimentés par des batteries. La sécurité est absolue : en cas de panne de courant, la grenaille est larguée et le bathyscaphe remonte automatiquement à la surface. Le premier bathyscaphe F.N.R.S 2 subit des avaries aux essais. L Italie construit pour Auguste Piccard un appareil similaire, le «Trieste», à bord duquel le professeur et son fils Jacques plongeront plusieurs fois. Plus tard, équipé d une nouvelle sphère plus résistante (12-18 cm d épais), le Trieste plonge dans le Pacifique, au large des îles Mariannes, là où se trouve la fosse abyssale la plus profonde du globe. Le 23 janvier 1960, Jacques Piccard et Don Walsh, se posent par mètres de fond! La sphère a subi des déformations lors de la remontée et est devenue inutilisable. (J.Piccard et D.Walsh sont toujours les seuls hommes à être descendus au point le plus profond de notre planète). A cette profondeur que la lumière n atteint jamais et où la pression est plus de 1000 fois supérieure à celle qui règne en surface, on pensait que toute vie était impossible. Mais les 2 hommes eurent la surprise incroyable de voir plusieurs crevettes et un poisson des abysses de 30 cm. Ils ramenèrent ainsi la preuve de l existence de courants verticaux qui transportent l oxygène de la surface dans les profondeurs. De ce fait, les projets d entreposage de matériaux radioactifs et d autres déchets dans les abysses ont dû être abandonnés. 4/5 Structure MIR (1 ère partie)

5 Le sous-marin MIR Structure MIR (1 ère partie) 5/5