Notes d'études secondaires Sciences et technologie 316 Les fluides et la pression Nom: Prénom: Groupe: Date:
1 Les fluides Un fluide est une substance qui a la capacité de se répandre et de prendre la forme du contenant dans lequel elle se trouve. Exemples : les liquides, les gaz, autres mélanges. Le sable n en est pas. Lorsqu il coule, il forme un tas au lieu d une surface lisse. Les fluides compressibles Un fluide compressible est un fluide dont le volume peut varier. Exemples : les gaz (air, gaz intestinaux...) Les fluides incompressibles Un fluide incompressible est un fluide dont le volume NE peut presque PAS varier. Exemples : les liquides, fluides corporels (sang, urine, salive, mucus...) 2 La pression exercée par les objets physiques: La pression résulte d une force appliquée perpendiculairement à une surface. Une force est une action qui modifie le mouvement d un objet ou crée une déformation de l objet. L aire est la dimension d une surface d un objet. Facteurs qui influent la pression : Lorsque l aire de la surface de contact est constante, la pression augmente au fur et à mesure que la force augmente. La force et la pression varient dans le même sens. 1
Si la force exercée perpendiculairement à une surface est constante, la pression augmente au fur et à mesure que l aire de la surface diminue. L aire de la surface et la pression varient en sens inverse. Cela s écrit sous la forme de l équation suivante : Variable: F Nom: Force Unité: Newton Symbole de l'unité: N Variable: P Nom: Pression Unité: Pascal Symbole de l'unité: Pa Variable: A Nom: Aire ou surface Unité: mètre carré Symbole de l'unité: m2 P = F/A Notez l'équivalence suivante entre les unités: 1 Pa = 1 N / 1 m2 Ça veut dire que, si F 3,P et si A. P La pression exercée par les fluides En règle générale, la pression qu un fluide exerce, en un point donné, est la même dans toutes les directions. Fluides incompressibles: Dans un fluide incompressible, la pression à une certaine profondeur, h, provient de la force de gravité exercée par la masse du fluide qui se trouve audessus. Plus la particule est profonde, plus elle ressent une pression importante. 2
Les particules sont peu profondes. Elles ne ressentent pas une forte pression. Elle ne sont pas éjectées très loin. Les particules sont profondes. Elles ressentent une forte pression. Elles sont éjectées plus loin. On peut écrire la relation entre les différents facteurs à l'aide de la formule suivante: Variable: g Nom: accélération gravitationnelle Unité: Newton par kilogramme Symbole de l'unité: N/kg Valeur sur Terre: ~10 N/kg Variable: P Nom: Pression Unité: Pascal Symbole de l'unité: Pa P=ρxgxh Variable: h Nom: Hauteur Unité: mètre Symbole de l'unité: m Variable: ρ Nom: Densité Unité: kg par mètre cube Symbole de l'unité: kg/m3 3
Donc, la pression exercée sur un objet plongé dans un fluide incompressible dépend de : la profondeur, h, à laquelle se trouve l objet dans le fluide; la masse volumique (ρ) du fluide. Fluides compressibles: Dans un fluide compressible, la pression sur un objet immergé dans ce fluide provient des forces exercées par les particules du fluide lors des collisions avec cet objet. Plus il y a des collisions, plus la pression est grande. Les facteurs qui déterminent le nombre de collisions : le nombre de particules de fluide. Plus il y a de particules, plus il y a de collisions. la température du fluide. Plus la température est élevée, plus la vitesse des particules est grande et, par conséquent, le nombre de collisions est grand. le volume du fluide. Plus le volume est grand, plus rares sont les collisions. La température constante, lorsqu on diminue le volume d un fluide compressible, ses particules se rapprochent. Donc, le nombre de collisions augmente, ce qui augmente la pression. À température constante, le volume d un fluide compressible est inversement proportionnel à la pression. Si l on augmente la pression, le volume diminue et vice versa. Pression modifiée Pression de départ P1 x V1 = P2 x V2 = constante Volume de départ R = 8.31kPa/L Nouveau volume 4
Applications récupération des ballonssondes utilisés en météorologie. déformation du tympan et moyens pour faire disparaître l inconfort ressenti 5
La pression atmosphérique La pression atmosphérique est la pression exercée par la couche d air qui entoure la Terre. La pression atmosphérique est considérable : 101,3 kpa, au niveau de la mer. On peut la déduire à l'aide de l' expérience: de Otto von Guericke a) On prend 2 hémisphères de métal qui peuvent être jointes. b) On enlève l'air avec une pompe à vide c) La pression atmosphérique est assez puissante pour retenir les 2 demisphères ensemble. Le métal qui a une bonne épaisseur résiste à la poussée. Un matériel plus faible s'écraserait sous la pression. La pression atmosphérique est mesurée à l aide du baromètre. Fonctionnement du baromètre à mercure. 6
4 Les mécanismes liés aux variations de pression des fluides Il y a 3 principes généraux à la base du fonctionnement de ces mécanismes. Principe 1 : Un fluide se déplace naturellement d un endroit ayant une pression plus élevée vers un endroit ayant une pression moins élevée. Les variations de pression entraînent la circulation du fluide. C'est en suivant ce principe que le sang et l'oxygène peuvent circuler dans le corps humain. Principe 2 (de Pascal) :Lorsqu on applique une pression à la surface d un fluide qui se trouve dans un milieu fermé, cette pression se répartit uniformément dans tout le fluide C'est l'explication de la tension artériel. (ex. : le frein à disque ). 7
Principe 3 : Le transfert de pression dans un fluide peut permettre d amplifier une force (ex. : les mécanismes hydrauliques procurent un avantage mécanique). Les mécanismes naturels : Le cœur fonctionne comme une pompe. Il fournit les variations de pression nécessaires pour faire circuler le sang dans tout le corps. Dans les artères, la pression varie entre 120 mm Hg (16 kpa) et 76 mm Hg (10 kpa), tandis que dans les veines, elle est pratiquement nulle. Les variations du volume des poumons entraînent des variations de pression qui permettent l entrée et la sortie de l air. 8
Le vent dépend des variations de pression atmosphérique. Il est un déplacement d air d une zone de haute pression (A) vers une zone de basse pression (D). 9