Question centrale

Quels sont les phénomènes qui expliquent qu'un ludion flotte ou coule dans l'eau ?

Matériel requis

• Une bouteille en plastique (d'un litre ou plus)
• Une cuvette, un seau ou tout autre récipient à large ouverture
• Un capuchon de stylo à bille détachable (non percé, c'est très important)
• De la pâte à modeler résistant à l'eau
• De l'eau

Un peu de matière et d’idées avant de commencer les expériences

• La densité d'un objet correspond à la masse de cet objet divisée par son volume.
• Tout objet ayant une densité inférieure à celle d'un liquide flottera.
• Tout objet ayant une densité supérieure à celle d'un liquide coulera.
• Un objet ayant la même densité que celle d'un liquide ne coulera pas mais ne flottera pas non plus. C'est ce qu'on appelle la flottabilité neutre. Certains parlent même de » rester entre deux eaux ». Tout objet ayant une flottabilité neutre peut rester à l'état stationnaire dans un liquide, à n'importe quelle profondeur.
• Lorsque le capuchon de stylo retourné est plongé dans l'eau, il déplace un volume d'eau égal à son volume de matière, plus le volume d'air emprisonné dans le capuchon.
• Le fait de comprimer la bouteille accroît la pression dans l'eau et comprime l'air à l'intérieur du capuchon. Le volume d'eau déplacée par le capuchon est alors diminué.
• Etant donné que le capuchon (plus l'air emprisonné) est entièrement immergé, la diminution du volume d'air emprisonné entraîne également une diminution du volume total d'eau déplacée par le capuchon. Cela se traduit alors par une augmentation de la densité du capuchon avec l'air emprisonné.

Conseils sur le déroulement de l'expérience Si vous ne disposez pas de pâte à modeler résistant à l'eau, deux ou trois chewing-gums devraient tout aussi bien convenir. Choisissez de préférence un petit capuchon de stylo, vous obtiendrez de meilleurs résultats. S'il est percé au sommet, bouchez le trou avec la pâte à modeler ou le chewing-gum.
Lorsque vous testez votre ludion dans la bassine, ajoutez ou retirez de la pâte de la boule collée au sommet du capuchon, de façon à ce que celui-ci flotte tout juste dans l'eau. Après avoir descendu le capuchon dans l'eau et fixé la boule de pâte dans la bouteille, remplissez la bouteille à ras bord et refermez-la. Fixez un double-décimètre le long de la bouteille pour que les élèves puissent mesurer le mouvement du ludion à une profondeur donnée.

Discussion

1. Vos observations concordent-elles avec les résultats que vous aviez prévus ?
2. Que pensez-vous qu'il se passerait si vous recommenciez cette expérience avec un plus gros capuchon ? …avec un plus petit capuchon ? Expliquez pourquoi.
3. Que pensez-vous qu'il se passerait si vous recommenciez cette expérience avec une boule de pâte plus petite pour que le capuchon flotte, au départ, un peu plus haut ?
4. Sous l'eau, les sous-marins sont équipés de cuves spéciales dans lesquelles l'eau pénètre. Cette eau est par la suite pompée hors des cuves. A quoi cela sert-il ? Quelles sont les conséquences pour le sous-marin et pourquoi ? (En fait, c'est ce qui permet à un sous-marin de descendre et monter facilement dans l'océan. Lorsque l'eau pénètre dans les cuves, la poussée d'Archimède exercée sur le sous-marin diminue, permettant à celui-ci de s'enfoncer dans l'eau. En pompant l'eau des cuves, la poussée d'Archimède augmente et le sous-marin remonte.)
5. A quelles autres situations pouvez-vous penser dans lesquelles la poussée d'Archimède joue un rôle important ? Comment impacte-t-elle votre vie de tous les jours ? (Exemples : natation, plongée, sous-marins, pontons, bateaux, avions, etc.)
6. Avez-vous fixé un double centimètre le long de la bouteille ? Qu'avez-vous dû faire pour que le ludion atteigne une profondeur spécifique précise ? Etait-ce facile ou difficile de maintenir le ludion à cette profondeur pendant un certain temps ?

Evaluation

Les élèves peuvent-ils expliquer pourquoi le ludion peut monter et descendre dans l'eau ?

Réponse : Lorsque l'on comprime la bouteille, la pression supplémentaire exercée dans l'eau comprime l'air à l'intérieur du ludion. Cela réduit la quantité d'eau déplacée par le ludion et l'air emprisonné et réduit également la poussée d'Archimède exercée dessus. Lorsque la poussée d'Archimède devient inférieure au poids du ludion, il coule. Et lorsque vous relâchez la bouteille, l'inverse se produit et il remonte.

Variantes et autres études

• Avec quels autres objets pourriez-vous fabriquer un ludion ? Recommencez cette expérience en utilisant à la place un ou plusieurs de ces objets : compte-gouttes, tube à essai renversé, etc.
• Utilisez également d'autres liquides non dangereux à la place de l'eau pour observer si le ludion se comporte différemment (vinaigre, alcool à 90°, huile de cuisson, shampoing, etc.).

Métiers concernés

Les élèves peuvent s'interroger sur la façon dont la flottabilité peut jouer un rôle dans leur vie présente et future. Les concepts abordés dans cette expérience sont fondamentaux pour tous les domaines professionnels impliquant l'immersion dans un fluide. L'exemple le plus flagrant est bien entendu la plongée sous-marine. Les plongeurs portent parfois des ceintures de plomb pour aider à réguler leur flottabilité. Ils utilisent également un gilet stabilisateur, qui leur permet de modifier leur flottabilité et d'ajuster plus facilement leur profondeur. (Voir Similitudes avec la plongée sous-marine).

Certaines personnes sont amenées, dans le cadre de leur profession, à prendre en compte la flottabilité. Les professions pouvant être concernées sont :

• Plongeurs subaquatiques (plongée en apnée, en autonome, en haute mer)
• Sous-mariniers et navigateurs
• Pilotes de montgolfières

Corrélations avec les standards éducatifs anglo-saxons

United States: Cet exercice rel¨¨ve de certaines parties de la norme NSES Content Standard A, Science as Inquiry et Content Standard G, History and Nature of Science, Grades 5-8 et 9-12 ainsi que des normes suivantes :

Grades 5-8
Standard B – Physical Science: B1, B2

Grades 9-12
Standard B – Physical Science: B2, B4

Britain: Cet exercice rel¨¨ve de la norme anglaise relative ¨¤ l'enseignement Sc1, ? Science Enquiry ? ainsi qu'aux normes suivantes :

KS2, Sc1, BoS, 1a, 1d, 1e
KS3, Sc1, Sc3, 1a; Sc4, 2b, 2c; BoS, 1a, 1d, 1e, 1f
KS4, Sc1, Useful Background; BoS, 1a, 1d, 1e, 1f

Glossaire/vocabulaire

flottabilité
poussée d'Archimède
densité
fluide

Liens

Principe d'Archimède vu par les plongeurs
Explication du concept de flottabilité du point de vue du plongeur, avec des exemples d'application concrète.

The ABCs of BCs
Fonctionnement des gilets stabilisateurs

Devinettes sur la flottabilité - NOVA

Cartesian Divers from Venture Engineering and Science Camp
Pourquoi les Anglo-saxons appellent-ils le ludion un « plongeur cartésien » ? Découvrez ce que Descartes et la plongée ont de commun...