Tester la poussée d'Archimède - Maxicours

Tester la poussée d'Archimède

Objectif

Mettre en œuvre un dispositif qui permet de tester ou d’exploiter l’expression de la poussée d’Archimède.

Points clés
  • Tout objet immergé dans un fluide subit de sa part une poussée verticale, dirigée vers le haut, dont la valeur est égale au poids du fluide déplacé. C’est la poussée d’Archimède.
  • Un dynamomètre est un dispositif qui permet de mesurer la valeur de la force exercée à l’une de ses extrémités. Un objet accroché permet de mesurer le poids de cet objet. Si l’objet est immergé dans un liquide, le dynamomètre mesure la force exercée qui est égale à la différence entre le poids et la poussée d’Archimède.
  • Une étude expérimentale permet de mettre en évidence l’effet du volume, de la masse de l’objet ou de la masse volumique du liquide.
Pour bien comprendre
  • La force pressante (1re)
  • Loi fondamentale de la statique des fluides (1re)
1. L'étude expérimentale de la poussée d'Archimède
La poussée d’Archimède est une force exercée par un fluide sur un objet dans lequel il est immergé.

Une étude expérimentale permet de comprendre les grandeurs qui influent sur cette poussée.

a. La poussée d'Archimède

Tout objet plongé dans un fluide (liquide ou gaz) au repos subit de la part de celui-ci des forces pressantes.

La résultante des forces pressantes appliquées sur l’objet est un vecteur vertical et dirigé vers le haut.

La poussée d’Archimède  est égale à la résultante des forces pressantes  qu’exerce un fluide sur un objet immergé dans ce fluide.

Un objet immergé dans un fluide (de masse volumique ρ) subit de la part de ce fluide, une poussée notée , verticale et dirigée vers le haut, dont la valeur est égale au poids du fluide déplacé par l’objet.

avec :
  • FPA la poussé d'Archimède subie par l’objet, en newton (N)
  • mfluide la masse du fluide déplacé par l’objet, en kg
  • Vfluide le volume du fluide déplacé, en m3
  • ρ la masse volumique du fluide, en kg·m3
  • g l’intensité de la pesanteur, en N·kg1
b. Le protocole expérimental

Un dynamomètre est un appareil constitué d’un ressort étalonné, qui mesure la force exercée à l’une de ses extrémités. Si on accroche un objet de masse m, le dynamomètre affichera la valeur du poids de cet objet.

Si l’objet est immergé dans un fluide, le dynamomètre affichera la valeur de la résultante des forces appliquées , qui est égale à la somme du poids de l’objet  et de la poussée d’Archimède  exercée par le fluide.

La valeur de cette résultante est égale à la différence entre les valeurs du poids de l’objet et de la poussée d’Archimède.


Mesures à l'aide d'un dynamomètre
de la (ou des) force(s) exercée(s) sur un objet
2. L'expérimentation sur la poussée d'Archimède

La poussée d’Archimède peut être analysée en étudiant l’influence de divers paramètres d’expérience.

Influence du volume de l’objet
Expérience

On plonge dans l’eau différents objets de même masse mais de volume différent.

Objet 1 2 3 4
Volume (en cm3) 100 50 25 10

On mesure la force affichée par le dynamomètre puis on en déduit la valeur de la poussée d’Archimède.

Objet 1 2 3 4
Poussée d’Archimède (en N) 2,0 1,0 0,5 0,2

On trace l’évolution de la valeur de la poussée d’Archimède en fonction du volume de l’objet (qui est égal au volume d’eau déplacé).


Courbe de la valeur de la poussée d’Archimède
en fonction du volume
Conclusion

On constate qu’il s’agit d’une portion de droite qui passe par l’origine : la poussée d’Archimède est proportionnelle au volume d’eau déplacé.

Influence de la masse de l’objet
Expérience

On plonge dans l’eau différents objets de même volume mais de masse différente.

Objet 1 2 3 4
Masse (en g) 100 50 25 10

On mesure la force affichée par le dynamomètre puis on en déduit la valeur de la poussée d’Archimède.

Objet 1 2 3 4
Poussée d’Archimède (en N) 2,0 2,0 2,0 2,0
Conclusion

On constate que la valeur de la poussée d’Archimède est la même : elle est indépendante de la masse.

Influence de la masse volumique du liquide
Expérience

On plonge dans différents liquides le même objet de volume et de masse fixés. Ces liquides sont caractérisés par leur masse volumique.

Liquide Eau salée Eau Éthanol Éther
Masse volumique (en g·L1) 1300 1000 789 710

On mesure la force affichée par le dynamomètre puis on en déduit la valeur de la poussée d’Archimède.

Objet 1 2 3 4
Poussée d’Archimède (en N) 2,0 1,5 1,2 1,1

On trace l’évolution de la valeur de la poussée d’Archimède en fonction de la masse volumique du liquide.


Courbe de la valeur de la poussée d’Archimède
en fonction de la masse volumique
Conclusion

On constate qu’il s’agit d’une portion de droite qui passe par l’origine : la poussée d’Archimède est proportionnelle à la masse volumique du liquide.

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