Pourquoi les navires flottent-ils?

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Amy McDonald
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Quels sont les liens avec mon programme d'études?

T’es-tu déjà demandé pourquoi les navires se maintiennent à flot? La réponse est dans la flottabilité!

As-tu déjà vu de près un de ces immenses navires de croisière? Ou un navire de charge rempli de conteneurs? Voire un porte-avions transportant des avions à réaction? Comment ces géants des mers peuvent-ils flotter alors que l’eau est beaucoup moins dense que l’acier entrant dans leur fabrication. Pourquoi ces navires ne coulent-ils pas? 

navire de croisière, porte-conteneurs et porte-avions
De haut en bas : Le navire de croisière Sun Princess, le porte-conteneurs Atlantic Compass et le porte-avions USS George Washington. (Sources : Photos du Sun Princess et de l’Atlantic Compass, Scott Taylor, reproduites avec autorisation, et photo du USS George Washington, Marine américaine, prise par la lieutenante de troisième classe Heather Hess)

Qu’est-ce que la flottabilité? 

Nous devons une fière chandelle à Archimède, qui a été le premier à expliquer le principe de base de cette énigme. Ce savant grec né en l’an 287 avant Jésus-Christ a énoncé le principe de flottabilité, autrement dit le célèbre « principe d’Archimède  ».

Selon ce principe, tout objet plongé dans un fluide subit une force verticale, dirigée de bas en haut, qui est égale au poids du fluide déplacé (repoussé) par cet objet. On appelle « poussée » cette force verticale à laquelle est soumis un objet plongé dans un fluide. En revanche, la gravité exerce sur l’objet une force verticale, dirigée de haut en bas (son poids), qui est déterminée par sa masse. Par conséquent, si la force verticale vers le bas exercée par la gravité sur un objet est inférieure à la poussée, l’objet flottera.

Le principe d'Archimède illustré (2017) par Alloprof (4 min 13 sec).

Le savais-tu?

Selon la légende, après avoir compris que la quantité d’eau déplacée dans sa baignoire était égale au poids de son corps, Archimède aurait couru nu dans la rue en criant « Eurêka! » (terme grec qui signifie « J’ai trouvé »).

Quel est le lien entre la flottabilité et la densité? 

Si l’on place dans un contenant d’eau un morceau de bois d’un centimètre cube (1 cm x 1 cm x 1 cm), la quantité d’eau déplacée sera égale au poids du morceau de bois. Mais que se passera-t-il si l’on y place un morceau de plomb ayant les mêmes dimensions? La densité du plomb est beaucoup plus élevée que celle du bois. Le morceau de plomb d’un centimètre cube placé dans un contenant d’eau déplacera une quantité d’eau égale à son poids. 

Dans le cas du bois, le poids de l’eau déplacée est faible. Comme sa poussée est supérieure à sa force gravitationnelle, le bois flotte. Quant au plomb, comme il est plus dense que le bois, il représente une plus grande masse dans le même volume et par conséquent déplace davantage d’eau que le bois. Puisque sa force gravitationnelle est supérieure à sa poussée, le plomb coule au fond.

Comparaison des masses d'air, d'eau, de bois et de plomb
Comparaison de la masse de 1 cm3 d’air (0,0012 g), de bois (0,7 g), d’eau douce (1 g) et de plomb (11,34 g) (© 2019 à partir de données tirées de Wikipedia et d’une image de nclm [CC BY-SA 4.0] via Wikimedia Commons).

Comment la flottabilité et la densité s’appliquent-elles aux navires?

Comment ce principe peut-il s’appliquer aux navires – ces énormes bâtiments d’acier qui peuvent peser des centaines de milliers de tonnes. Comme l’acier est beaucoup plus dense que l’eau, il serait logique de penser que ces mastodontes vont couler, n’est-ce pas? Eh bien, détrompe-toi! Ce qui aide à maintenir les navires à flot, c’est leur forme et ce qui se trouve à l’intérieur. Les navires ne sont pas faits d’une pièce d’acier d’un seul tenant. En réalité, il s’agit en gros d’une coquille vide en acier à l’intérieur de laquelle on trouve toutes sortes de composants, par exemple le moteur, le carburant et la cargaison. Mais, surtout, il y a de l’air à l’intérieur d’un navire! 

Un navire de charge à pleine capacité et vide
À gauche : Un navire de charge à pleine capacité. À droite : Un navire de charge vide. On peut constater que le navire vide flotte plus haut sur l’eau (Parlons sciences; images tirées de Youst via iStockphoto).

Le savais-tu?

Le navire le plus lourd au monde, le Pioneering Spirit, déplace approximativement 900 000 tonnes métriques d’eau. C’est l’équivalent d’environ 300 000 éléphants!

L’air qui se trouve à l’intérieur d’un navire est beaucoup moins dense que l’eau. C’est ce qui lui permet de flotter! La densité moyenne du volume total du navire et de tout ce qui se trouve à l’intérieur (y compris l’air) doit être inférieure à celle du même volume d’eau.  Un navire qui vogue sur l’eau déplace une quantité d’eau égale à son poids en la poussant vers le bas. Plus la densité totale du navire se rapproche de celle du même volume d’eau, plus grande sera la partie du navire immergée. Si sa densité moyenne en arrive à dépasser celle de l’eau, le navire s’enfoncera sous la surface.

Naufrage du paquebot Titanic
Naufrage du paquebot Titanic le 15 avril 1912 (Image du domaine public de Wili Stöwer via Wikimeda Commons).

Lorsqu’un navire coule, c’est parce que de l’eau y a pénétré. En prenant la place de l’air, l’eau accroît la densité moyenne du navire, qui devient ainsi supérieure à celle de l’eau. Le naufrage du RMS Titanic est l’une des catastrophes maritimes les plus connues. Ce navire a heurté un iceberg au large de la côte sud de Terre-Neuve en avril 1912. L’impact a ouvert plusieurs brèches dans la coque, laissant ainsi pénétrer l’eau à l’avant du navire. À mesure que l’eau pénétrait dans le navire, l’air en sortait, faisant peu à peu sombrer le navire. C’est pourquoi il a coulé au fond de l’océan. 

À l’instar de tous les autres navires naufragés, c’est en raison d’un manque de flottabilité que le Titanic s’est retrouvé au fond de l’océan!

Le savais-tu?

Le Titanic a coulé 160 minutes après avoir heurté l’iceberg. C’est seulement 2 heures et 40 minutes!

Amorces de discussion

Faire des liens

  • As-tu déjà essayé de faire couler un petit bateau avec lequel tu jouais dans l’eau? Comment t’y es-tu pris? 
  • Comment t’y prendrais-tu pour faire flotter un objet? 

Faire des liens

  • As-tu déjà essayé de faire couler un petit bateau avec lequel tu jouais dans l’eau? Comment t’y es-tu pris? 
  • Comment t’y prendrais-tu pour faire flotter un objet? 

Relier la science et la technologie à la société et à l'environnement

  • Comment conçoit-on les navires afin qu’ils se maintiennent à flot quand ils transportent de lourdes charges? 
  • Pourquoi la conception d’un vêtement de flottaison individuel est-elle importante? Quels sont les éléments à prendre en compte? Pourquoi faut-il connaître le poids de la personne qui le portera quand on achète un vêtement de flottaison individuel? 

Relier la science et la technologie à la société et à l'environnement

  • Comment conçoit-on les navires afin qu’ils se maintiennent à flot quand ils transportent de lourdes charges? 
  • Pourquoi la conception d’un vêtement de flottaison individuel est-elle importante? Quels sont les éléments à prendre en compte? Pourquoi faut-il connaître le poids de la personne qui le portera quand on achète un vêtement de flottaison individuel? 

Explorer les concepts

  • Pourquoi certains objets flottent-ils? Qu’est-ce que la flottabilité? 
  • Quel est le principe d’Archimède? 
  • En quoi la densité d’un objet influe-t-elle sur sa flottabilité? 
  • Pourquoi un navire extrêmement lourd peut-il flotter? Quelle incidence les marchandises transportées à bord d’un navire ont-elles sur sa flottabilité? Pourrait-t-il y avoir trop de marchandises? Explique ta réponse.

Explorer les concepts

  • Pourquoi certains objets flottent-ils? Qu’est-ce que la flottabilité? 
  • Quel est le principe d’Archimède? 
  • En quoi la densité d’un objet influe-t-elle sur sa flottabilité? 
  • Pourquoi un navire extrêmement lourd peut-il flotter? Quelle incidence les marchandises transportées à bord d’un navire ont-elles sur sa flottabilité? Pourrait-t-il y avoir trop de marchandises? Explique ta réponse.

Nature de la science et de la technologie

  • Pourquoi est-il important en sciences de prendre des notes et de recueillir des observations avec soin? Comment savons-nous qu’Archimède a formulé le principe que nous utilisons afin d’expliquer pourquoi les objets flottent? Archimède a documenté soigneusement ses découvertes sur un parchemin, qui a servi par la suite à rédiger un autre ouvrage. Le manuscrit en question est appelé « palimpseste d’Archimède ». Fais une recherche pour en savoir plus sur cet important document scientifique et apprendre comment on le conserve en bon état. 

Nature de la science et de la technologie

  • Pourquoi est-il important en sciences de prendre des notes et de recueillir des observations avec soin? Comment savons-nous qu’Archimède a formulé le principe que nous utilisons afin d’expliquer pourquoi les objets flottent? Archimède a documenté soigneusement ses découvertes sur un parchemin, qui a servi par la suite à rédiger un autre ouvrage. Le manuscrit en question est appelé « palimpseste d’Archimède ». Fais une recherche pour en savoir plus sur cet important document scientifique et apprendre comment on le conserve en bon état. 

Littératie médiatique

  • Le film Titanic du réalisateur James Cameron a remporté un succès phénoménal en 1997. En plus de sa distribution éblouissante quels aspects de ce film peuvent expliquer qu'il a connu un tel triomphe? Si tu as vu ce film, l’as-tu apprécié? Dans l’affirmative, qu’est-ce qui t’a plu? https://www.cinoche.com/films/titanic

Littératie médiatique

  • Le film Titanic du réalisateur James Cameron a remporté un succès phénoménal en 1997. En plus de sa distribution éblouissante quels aspects de ce film peuvent expliquer qu'il a connu un tel triomphe? Si tu as vu ce film, l’as-tu apprécié? Dans l’affirmative, qu’est-ce qui t’a plu? https://www.cinoche.com/films/titanic

Suggestions pour l'enseignement

  • L’article peut servir pour l’enseignement et l’apprentissage des mathématiques et de la physique en ce qui a trait à la flottabilité et aux fluides. Il introduit le principe d’Archimède et les concepts de déplacement des fluides, de poussée, de poids et de masse. 
  • Avant que les élèves lisent l’article, l’enseignant ou enseignante peut voir avec eux le concept de densité.
  • Après avoir lu l’article, les élèves peuvent utiliser une stratégie d’apprentissage axée sur une toile de définition du concept pour renforcer le concept de poussée. Il est possible de télécharger les fiches reproductibles de la toile de définition du concept prêtes à utiliser en formats [Google doc] et [.pdf] . 

Suggestions pour l'enseignement

  • L’article peut servir pour l’enseignement et l’apprentissage des mathématiques et de la physique en ce qui a trait à la flottabilité et aux fluides. Il introduit le principe d’Archimède et les concepts de déplacement des fluides, de poussée, de poids et de masse. 
  • Avant que les élèves lisent l’article, l’enseignant ou enseignante peut voir avec eux le concept de densité.
  • Après avoir lu l’article, les élèves peuvent utiliser une stratégie d’apprentissage axée sur une toile de définition du concept pour renforcer le concept de poussée. Il est possible de télécharger les fiches reproductibles de la toile de définition du concept prêtes à utiliser en formats [Google doc] et [.pdf] . 

En savoir plus

La flottabilité d'un bateau - PISTES, Université Laval - plusieurs activités à faire dans une salle de classe pour comprendre la flottabilité à l'aide d'expériences

Références

Elert, G. (n.d.). Buoyancy. The Physics Hypertextbook.

History.com. (2019, March 19). Titanic sinks.

Khan Academy. (n.d.). What is buoyant force?

Ross, R. (2017, April 25). Eureka! The Archimedes Principle. LiveScience.

Woodford, C. (2018, December 17). Ships and boats. Explain That Stuff.

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