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Archimède, poussée, flotter ou couler.

La Poussée d’Archimède, pas aussi simple qu’on ne le croit.

La poussée d’Archimède a déjà fait l’objet d’un article dans le blog, un article que je vous invite à relire ou peut-être à découvrir si ce n’est déjà fait.

Mais si l’article existe déjà, pourquoi donc en refaire un autre ? Tout simplement parce que les raisons qui permettent à un nageur ou un plongeur de flotter ou de couler ne sont pas si faciles que ça à comprendre malgré ce qu’en disent la littérature ou les explications basiques les plus répandues.

Ah bon ?, y aurait-il plusieurs poussées d’Archimède ? Non, bien évidemment non, mais ce qui fait toute la différence (et qui n’est quasiment jamais noté ou mis en avant), c’est que le théorème d’Archimède ne fonctionne que dans un état de statique, c’est à dire quand aucune modification de position, de déplacement ou de volume n’intervient. Nous allons donc étudier ces différents paramètres.

Le poids apparent est la différence qui existe entre le poids P de l’objet et la force d’Archimède Fa. Si Fa est plus grand que P, l’objet flotte en surface.

Le théorème de base

Rappelons ce que dit notre fameux théorème. Tout corps plongé dans un fluide subit de la part de ce fluide une force verticale, dirigée vers le haut, équivalente au poids du liquide déplacé par le volume immergé..

Jusque là rien de bien sorcier. Mais ce qui coince c’est quand on commence à se poser quelques petites questions saugrenues. Par exemple, « comment se fait-il qu’on flotte mieux à l’horizontale qu’à la verticale ? » ou bien: « pourquoi certaines personnes n’arrivent pas à faire la planche ? ». Pour répondre simplement, il faut revenir à quelques bases de physique, voyons ça.

Densité et flottabilité

La densité.

Si on s’en tient à la simple définition d’un dictionnaire, la densité est le rapport de masse entre un volume de liquide ou de solide et le même volume d’eau à une température de 4°. Pour les gaz c’est un peu différent mais ici cela ne nous intéresse pas.

Prenons l’exemple d’un mètre cube d’acier, il possède une masse de 7850 kg, le même volume d’eau douce a une masse de 1000 kg, le rapport donne 7850/1000 = 7.85. On va dire que l’acier est 7.85 fois plus dense que l’eau douce.

Un corps humain à une densité de 1.025 en moyenne ce qui explique qu’étant plus dense que l’eau il coule. Pourtant les gens font la planche et ne coulent pas ? C’est vrai, que se passe-t-il donc ?

Pour flotter il faut faire baisser sa densité, le corps humain possède deux poumons qui se comportent comme des ballons gonflés d’air. L’air étant mille fois moins dense que l’eau, plus les poumons sont gonflés, plus le volume occupé s’agrandit et plus la densité apparente du corps diminue. Au bilan on flotte. C’est d’autant plus vrai que l’eau est dense car chargée en sel dilués comme c’est le cas en eau de mer.

Certaines personnes n’arrivent pourtant pas à faire la planche. Il faut donc chercher autre chose.

Le centre de gravité.

Pour qu’un corps soumis à l’action de deux forces soit en équilibre, il est impératif que les droites d’action de ces deux forces soient parfaitement alignées. Sinon il se produit un phénomène de rotation qui va mettre en place cet alignement. Le poids du corps humain produit une force verticale, dirigée vers le bas, accrochée au centre de gravité du corps quelque part du côté du nombril. La masse d’eau déplacée produit une force d’Archimède au centre de masse du liquide déplacé. Tant que le centre de gravité et le centre de masse ne seront pas alignés, le corps va pivoter dans l’eau, du moins tant que des mouvements des mains ou des pieds ne viennent l’en empêcher.

Chaque personne est un cas à part et même si en moyenne nous avons tous une densité corporelle de l’ordre de 1,025 l’équilibre dans l’eau dépend donc de la répartition des masses. Nous avons tous une forme plus ou moins différente de celles des autres. On peut très bien avoir par exemple des os plus épais et donc une masse plus lourde, notamment au niveau des jambes. Les jambes auront donc naturellement tendance à couler pour venir se mettre à la verticale sous le corps. La seule façon de contrecarrer ce mouvement est de raidir les muscles et de déplacer le volume d’air des poumons en gonflant leur partie basse qui est la plus volumineuse. On appelle ça avoir une respiration ventrale.

C’est bien beau mais si on se met à la verticale on coule très facilement, pourtant on est bien immergé non ? Hé oui, mais je n’ai pas tout dit, voyons ça.

Les variations de volumes.

Lorsque le corps est en position verticale, il se produit un phénomène assez simple à expliquer. L’eau qui entoure le corps exerce sur lui une multitude de petites forces perpendiculairement à la peau (pour simplifier). Ces forces de pression dépendent de la profondeur. Plus le corps est loin de la surface, plus la pression est importante et même si on ne peut s’en rendre compte, cette pression tend à faire diminuer le volume du corps humain. Le volume diminuant, la poussée d’Archimède diminue alors que la densité du corps augmente. C’est tellement vrai qu’en apnée, à 10 mètres de profondeur le volume des poumons est réduit de moitié. Cette pression s’exerce aussi sur les bulles d’air des combinaisons en néoprène qui perdent elles aussi du volume.

En position verticale, surtout si c’est tête en bas, la pression de l’eau va donc faire diminuer le volume global du corps et le faire couler de plus en plus facilement.

Pour rester en surface en position verticale la seule solution consiste à gonfler les poumons mais aussi à faire avec les mains ou les pieds quelques mouvements dont la pression sur l’eau crée une force qui s’ajoute à la poussée d’Archimède. C’est une technique assez facile à apprendre et le fait qu’une personne n’y arrive pas du premier coup ne veut pas dire qu’elle en est incapable, il suffit juste de trouver les mouvements qui vont bien.

Conclusion.

Retenons simplement que la poussée d’Archimède se définit dans le cas d’un corps non déformable et dans une position statique.

Les humains ont en moyenne une densité supérieure à celle de l’eau ce qui les empêche de flotter. Pour réussir à flotter en surface il faut apprendre à utiliser sa respiration ventrale et s’aider de petits mouvements des mains en particulier.

Voila, je voulais faire cette petite mise au point qui vient compléter mon précédent article. Y inclure toutes ces précisions l’aurait trop alourdi et mon but n’est pas de vous faire peur avec des textes trop volumineux ou trop compliqués.

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Dans le prochain article je vais vous présenter le troisième volet de ma série sur les perrés d’Arcachon. Cette partie abordera en particulier la faune qu’on peut y découvrir.

Je vous dis donc à très bientôt.

Poussée d’Archimède et plongée




Force d’Archimède et plongée.

Force d’Archimède et plongée.

canard

La poussée d’Archimède, du nom du savant Grec qui l’a mise en évidence, est une force qui s’applique à tout corps plongé dans un fluide.

Plus exactement, le théorème d’Archimède nous dit que : Tout corps plongé dans un liquide ou un gaz, subit de la part de ce fluide une force verticale, dirigée vers le haut, égale au poids du fluide déplacé par la partie immergée du corps.

Pour comprendre ce que cela signifie il faut avant tout définir les termes utilisés dans ce théorème. Le poids d’un objet est souvent confondu avec la masse de cet objet. voyons donc quelle est la différence.

Masse d’un corps et masse volumique.

La masse d’un objet représente en première approximation la quantité de matière dont il est constitué. Dans le système de mesure international (S.I.), la masse se mesure en kilogrammes et non pas en grammes comme on pourrait le penser.

En physique on classe les corps en fonction non pas de leur masse, mais de leur masse volumique. La masse volumique est le rapport entre la masse d’un objet (en kilogramme) et le volume qu’il occupe en mètre cube. On a donc la relation: masse volumique = m / V. Prenons un exemple pour comprendre. Un cube d’acier de 1 mètre de côté et d’une masse totale de 7850 kg aura donc une masse volumique de 7850 kg/m3.

balance

Quand votre balance électronique (pour ceux qui veulent se faire mal au moral le matin de bonne heure..) vous annonce votre « poids », ce n’est pas votre poids mais bien votre masse qui vous est affichée en kilogrammes. Bon, voyons ça, si je pèse 74 kg c’est donc ma masse, ok, mais alors, le poids c’est quoi ?

Le poids.

Le poids est lié à la gravitation. Lorsqu’un objet est placé dans un champ gravitationnel, celui de la terre par exemple, une force invisible tire cet objet vers le centre du champ gravitationnel. Sur la Terre, La gravité terrestre nous attire vers le centre de la planète comme un aimant attirerait à lui un morceau de métal. Cette force est verticale, dirigée vers le bas, proportionnelle à la masse de l’objet et à la gravité terrestre.

Le poids est donc une force, elle se calcule en multipliant la masse m par l’accélération g. Soit P = m x g dont l’unité est le newton (symbole N). La masse m de l’objet est comme on vient de le voir exprimée en kilogrammes et g représente la constante du champ gravitationnel. Pour la terre g vaut 9,81 m/s² en moyenne. C’est 6 fois plus que sur la lune et 3 fois plus que sur Mars par exemple.

Poussée d’Archimède.

plongeuses

En plongée, le fluide dans lequel on s’immerge est soit de l’eau douce, soit de l’eau de mer. Dans l’eau de mer se trouve dissout une certaine quantité de sel. Donc, si on compare une même quantité d’eau douce et d’eau salée, 1 litre d’eau douce pèse 1 kg alors qu’un litre d’eau de mer pèse 1,025 kg. On dira que l’eau de mer est plus dense que l’eau douce.

Le corps humain après une exhalation possède une masse volumique d’environ 1,025 kg par litre. Ceci explique que le baigneur ait du mal à flotter dans l’eau douce, son poids est en fait plus grand que le poids du volume d’eau douce qu’il déplace, le baigneur a donc tendance à couler car la force d’Archimède n’est pas assez importante pour le soutenir.

Dans l’eau salée, c’est différent, le poids du volume d’eau de mer déplacé est sensiblement identique à celui du baigneur, parfois même plus grand dans les mers très salées. La poussée d’Archimède équilibre alors le poids du baigneur. Celui-ci n’a plus qu’a gonfler un peu les poumons pour pouvoir flotter sans effort. Vous comprenez maintenant pourquoi il vaut mieux ne pas trop gonfler les poumons avant de faire une apnée en eau de mer, c’est comme vouloir descendre en profondeur attaché à une bouée.

Poids apparent et flottaison

Le poids apparent est la différence qui existe entre le poids P de l'objet et la force d'Archimède Fa. Si Fa est plus grand que P, l'objet flotte en surface.

Le poids apparent est la différence qui existe entre le poids P de l’objet et la force d’Archimède.

Le poids apparent d’un objet immergé se définit par la différence entre le poids réel de l’objet et la poussée d’Archimède. On peut donc écrire Pa = P – Fa. Si le poids est plus grand que la force d’Archimède, l’objet coule. Dans le cas contraire il est poussé vers la surface et flotte. A une profondeur donnée, si P = Fa il y a équilibre, l’objet ne coule pas et ne monte pas non plus vers la surface, il reste immobile à la même profondeur.

Force d’Archimède et plongée.

gilet

Pour rechercher un équilibre stable en plongée à une profondeur donnée, on utilise un gilet stabilisateur. En le gonflant d’air on augmente son volume et par conséquent on augmente la force d’Archimède jusqu’à équilibrer le poids réel. La respiration peut aussi jouer un effet sur la force d’Archimède par le changement de volume de la cage thoracique lors de l’inspiration ou de l’expiration.

ceinture baudrier

Malheureusement, pour se protéger du froid, le plongeur s’équipe d’une combinaison en néoprène dont la texture est essentiellement faite de bulles d’air, donc d’un poids beaucoup moins lourd que celui de l’eau (masse volumique de la combinaison: 120 grammes par litre contre 1025 pour l’eau de mer). La combinaison se comporte donc comme une bouée qui tend à faire flotter le plongeur. Pour pouvoir descendre il faudra nécessairement se lester avec soit une ceinture de plomb, soit un baudrier. Le réglage de ce plombage doit se faire en recherchant le poids minimum à ajouter sur la ceinture. il n’y a pas de règle, seuls plusieurs essais peuvent permettre de trouver le bon compromis.

Les pièges à éviter.

Le premier des pièges à éviter est de trop charger une ceinture en plomb. En surface cela peut ne pas être gênant mais plus le plongeur descend profondément, plus la combinaison va être écrasée par la pression de l’eau, de même que le corps de plongeur. Le volume diminuant, la force d’Archimède va donc diminuer et le plongeur va se retrouver trop lourd. Pour se maintenir en équilibre il devra gonfler énormément son gilet et éventuellement palmer, ce qu’il faut éviter en profondeur.

Deuxième piège à éviter, une mauvaise attache de la ceinture de plomb. Mal serrée elle va glisser sur les hanches ou carrément se détacher. S’il ne peut pas la récupérer, le plongeur va alors se retrouver en grande difficulté pour gérer sa remontée en surface (la tenue au palier en pleine eau risque d’être très compliquée, voire même tout à fait impossible). Cette difficulté peut être évitée avec le baudrier, parfaitement maintenu par les épaules. Il faudra juste s’assurer au besoin qu’il puisse être éjectable facilement. Le baudrier présente cependant un inconvénient majeur, il est par construction déjà très lourd (environ 6 à 7 kg), cela peut être un handicap pour ceux ou celles qui n’ont besoin réellement que de 2 à 4 kilos de lest

Troisième piège, la combinaison étanche. Son principe est de maintenir une couche d’air isolante à l’intérieur de la combinaison. C’est très efficace en eau froide mais assez délicat à gérer pour un néophyte. En effet, un gonflage trop important risque de faire passer une grande quantité d’air dans les jambes jusqu’aux pieds. Soulevés par la poussée d’Archimède, les pieds du plongeur vont le faire basculer et se retrouver la tête en bas. La situation risque de vite tourner à la catastrophe si le plongeur ne rétablit pas immédiatement sa position. Trois précautions à mettre en œuvre si on utilise une combinaison étanche: Ne jamais trop la gonfler, utiliser des plombs de cheville ( sorte de mini ceinture de plomb qui se pose facilement avec une sangle à velcros) et surtout ne jamais plonger seul en combinaison étanche.

Voili voilà…. ça faisait beaucoup de choses à dire, mais c’était important que les choses soient claires. J’espère que vous aurez trouvé cet article intéressant. Il ne me reste plus qu’à vous souhaiter une belle plongée, à bientôt.