Question centrale

Pourquoi certains objets flottants reviennent-ils en place automatiquement quand on les penche ?

Matériel requis

• Un petit bout de bois
• Quelques pièces de monnaie pas trop lourdes
• Un récipient d'eau transparent (fabriqué, comme dans notre exemple, à partir d'une bouteille de deux litres)
• Une règle graduée en centimètres
• Un crayon de papier ou un bâton fin
• Du ruban adhésif
• De l'eau

Idées principales et notions de base

Pour en savoir plus, consultez la section Creusons un peu : flottabilité et stabilité pour maîtriser les principales idées et connaître le contexte.

Conseils sur le déroulement de l'expérience

• Si vous transformez une bouteille transparente de deux litres pour cette expérience, pour plus de sécurité, collez du ruban textile isolant ou protecteur sur le bord coupant de la bouteille. Un ruban adhésif ordinaire ne protège pas suffisamment.
• Lorsque les élèves mesurent le niveau d'eau, vérifiez que leurs yeux sont au niveau de l'eau avant de lire la règle. S'ils regardent la règle au-dessus ou en dessous du niveau de l'eau, leur mesure ne sera pas aussi précise.
• Aux étapes 2, 3 et 4, il n'est pas nécessaire d'appuyer très fort sur l'extrémité du bout de bois. Il suffit d'une petite pression pour voir si l'installation est stable ou non.
• Si vous utilisez une pièce de monnaie trop légère à l'étape 3, le niveau de l'eau risque de ne pas changer de manière notable. Nous vous suggérons d'utiliser une pièce suffisamment lourde pour modifier le niveau de l'eau de manière quantifiable.

Discussion

1. Que s'est-il passé lorsque vous avez placé le bout de bois dans l'eau ? Savez-vous pourquoi ? (Le bout de bois flottait et l'eau a monté. Le bout de bois a déplacé une quantité d'eau équivalente à son poids sans utiliser son volume total, c'est pourquoi il s'est mis à flotter. Le bois était donc moins dense que l'eau. Le niveau de l'eau a monté, parce que le poids du bout de bois a appuyé sur la surface de l'eau.)

2. Que s'est-il passé lorsque vous avez appuyé temporairement sur une extrémité du bout de bois flottant ? Ce dernier est-il resté stable ? (Le bout de bois s'est enfoncé dans l'eau. La poussée d'Archimède s'est exercée du bas vers le haut. Lorsque vous avez relâché la pression, le bout de bois est revenu en place. Il était donc stable.)

3. Que s'est-il passé lorsque vous avez placé la pièce au milieu du bout de bois ? Pourquoi ? (Le niveau de l'eau a légèrement monté, car le bout de bois et la pièce ont davantage appuyé sur la surface de l'eau que le bout de bois seul. Le bout de bois et la pièce se sont davantage enfoncés dans l'eau, sous le poids de la pièce. Le bout de bois et la pièce ont dû déplacer davantage d'eau pour créer une poussée vers le haut suffisamment forte pour leur permettre de flotter.)

4. Que s'est-il passé lorsque vous avez appuyé temporairement sur une extrémité du bout de bois flottant avec la pièce au milieu ? Ce dernier est-il resté stable ? (Comme lorsqu'il était tout seul, le bout de bois s'est enfoncé dans l'eau lorsque vous avez appuyé sur une extrémité. Lorsque vous avez relâché la pression, le bout de bois et la pièce sont revenus en place. Ils étaient stables.)

5. Que s'est-il passé lorsque vous avez placé la pièce à l'extrémité du bout de bois ? Pourquoi ? (L'extrémité du bout de bois portant la pièce s'est enfoncée davantage dans l'eau, tout en continuant à flotter. La poussée d'Archimède s'est davantage exercée contre le poids excentré, inclinant le bout de bois dans l'eau. Le niveau de l'eau n'a pas changé, car le poids du bout de bois et de la pièce n'a pas changé lui non plus.)

6. Que s'est-il passé lorsque vous avez appuyé temporairement sur le bout de bois flottant avec la pièce à l'extrémité ? Ce dernier est-il resté stable ? (Lorsque vous avez appuyé, le bout de bois s'est davantage enfoncé dans l'eau. Lorsque vous avez relâché la pression, le bout de bois est revenu en place. Ils étaient stables.)

7. Que pensez-vous qu'il se passerait si vous déplaciez la pièce davantage encore à l'extrémité du bout de bois ? (A un moment donné, le bout de bois pencherait suffisamment pour que la pièce tombe dans l'eau.)

8. Pourquoi le bout de bois et les pièces fixées à ce dernier se sont-ils retournés dans l'eau ? (Le centre de gravité se trouvait hors du centre de poussée. Le poids des pièces étant supérieur à la poussée d'Archimède, le bout de bois s'est retourné.)

9. Si vous réfléchissez sur ce que vous avez appris au cours de cette expérience, comment procéderiez-vous pour charger des caisses de tailles et poids différents sur un bateau ? Expliquez comment. (Pour une stabilité maximale, le poids du cargo doit être distribué de manière aussi égale et aussi basse que possible.)

Evaluation

Les élèves sont-ils capables :

• d'expliquer pourquoi certains objets flottants reviennent-ils en place automatiquement quand on les penche ? (Le fait d'incliner un objet flottant modifie la forme du volume de l'eau déplacée. Cela modifie la position de la poussée d'Archimède, qui remet alors l'objet en place. Ce phénomène est parfois appelé force de rappel.)

Variantes et autres explorations

• Essayez cette expérience en plaçant d'autres objets de poids différents placés sur le bout de bois.

• Renouvelez l'expérience, cette fois-ci avec un matériau autre que du bois.

• Tentez l'expérience en essayant de faire flotter le bout de bois sur une extrémité ou sur un bord.

• Essayez de voir ce qui se passe si vous utilisez des bouts de bois de longueurs, de largeurs ou d'épaisseurs différentes.

• Essayez avec des objets flottants non rectangulaires (par exemple, avec un cylindre en bois).

• Le chavirement des bateaux est une question de sécurité très importante. Recherchez l'importance du centre de gravité et du centre de poussée dans la conception des bateaux. Quelles seraient vos recommandations pour améliorer la sécurité ?

• Les gens qui se déplacent en kayak apprécient de pouvoir chavirer facilement. Pourquoi ? Pourquoi certains kayaks sont-ils conçus pour être instables ?

• Essayez avec des pièces de tailles et de poids différents ou avec d'autres objets. Quelle est la relation entre la taille et le poids par rapport au volume d'eau déplacé ?

• Trouvez le centre de gravité de différents objets et le vôtre ! (Voir Liens)

Métiers concernés

• Ingénieur conception pour les bateaux, les kayaks, les planches de surf, etc.
• Manutentionneur sur les navires maritimes
• Concepteur d'équipements flottants de survie
• Concepteur de systèmes de secours maritimes
• Equipier sur un voilier

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 :

Sc 1 BoS: 1a,d,e
Sc1 Sc3: 1a Sc4: 2b,c BoS: 1a,d,e,f
Sc1 Useful Background BoS: 1a,d,e,f

Glossaire/vocabulaire

centre de gravité
centre de poussée
force de poussée
force de rappel
stabilité
instabilité

Liens

Informations sur le renversement des véhicules et mesures de sécurité (en anglais) :

Consumer News

U.S. Starts Real-World Rollover Tests
du Center for Auto Safety

Formula Predicts Rollover Risk
du Center for Auto Safety

Pour trouver le centre de gravité :

Center of Gravity: How to balance a checkbook using the physics method
de l'Exploratorium

Comment trouver votre centre de gravité :

Where is your center of gravity?
de Cislunar Aerospace, Inc.