Flotteurs et coureurs

Objectifs

• Démontrer comment la distribution des molécules dans une substance détermine sa densité.

• Investir les densités relatives des liquides et les densités relatives des solides.

• Prédire, tester et expliquer la densité relative en étudiant les interactions des liquides et des solides.

Démontrer la compréhension de la relation entre la densité et la flottabilité en construisant un bateau.

Matériaux

• Voir les activités individuelles pour les matériaux.

Contexte

Densité, masse & Volume
En termes simples, la densité est la façon dont les « choses » sont serrées dans un espace défini.

Par exemple, une valise bourrée de vêtements et de souvenirs a une densité élevée, tandis que la même valise contenant deux paires de sous-vêtements a une faible densité. Du point de vue de la taille, les deux valises ont la même apparence, mais leur densité dépend de la relation entre leur masse et leur volume.
La masse est la quantité de matière contenue dans un objet.
Le volume est la quantité d’espace qu’occupe un objet en trois dimensions.

La densité est calculée à l’aide de l’équation suivante : Densité = masse/volume ou D = m/v.

Comparons trois substances familières pour explorer le concept de densité. Si nous prenons le même volume (un centimètre cube) de mousse, de bois et de béton, nous pouvons constater que chacun a une masse différente.

Moins dense, plus dense
Si un objet est lourd pour sa taille, il a une densité élevée. Si un objet est léger pour sa taille, il a une faible densité.

Un caillou est lourd pour sa taille, comparé à un morceau de pop-corn qui est léger pour sa taille. Imaginez un grand bol de pop-corn, comparé à un grand bol de cailloux, lequel vous semblerait le plus lourd ?

Il est facile d’estimer les densités relatives si vous gardez soit le volume soit la masse de deux objets identiques.

Si vous remplissez un sac avec un kg de plumes et un autre avec un kg de plomb, vous verrez que les plumes prennent beaucoup plus de place, même si les deux sacs ont la même masse. C’est parce que les plumes sont moins denses, elles ont moins de masse par volume. Si vous fabriquiez un cube de cuivre et un cube d’aluminium de même volume et que vous en mettiez un dans chaque main, vous pourriez sentir que le cube de cuivre est plus lourd. Le cuivre a plus de masse par volume que l’aluminium.

Comment une substance peut-elle avoir plus de masse par volume qu’une autre ? Il existe quelques possibilités :

1. Les atomes d’une substance pourraient avoir une taille similaire tout en ayant plus de masse que les atomes d’une autre substance.
2. Les atomes d’une substance pourraient avoir une masse similaire mais être plus petits, de sorte qu’ils sont plus nombreux à tenir dans le même volume.
3. Les atomes d’une substance pourraient être disposés d’une manière qui permet à un plus grand nombre d’entre eux de tenir dans le même volume.

Toute explication ou combinaison de ces explications pourrait être la raison pour laquelle une substance a une densité plus élevée qu’une autre. Dans le cas du cuivre et de l’aluminium, leurs atomes sont disposés de façon similaire, mais les atomes de cuivre sont plus petits et ont plus de masse que les atomes d’aluminium, ce qui lui confère une densité plus élevée.

Densité, coulage et flottaison
Pourquoi certaines choses flottent-elles, tandis que d’autres coulent ? On pourrait s’attendre à ce que les objets les plus lourds coulent et que les plus légers flottent, mais c’est parfois le contraire. Les densités relatives d’un objet et du liquide dans lequel il est placé déterminent si cet objet va couler ou flotter. Un objet dont la densité est supérieure à celle du liquide dans lequel il est placé coule. Un objet qui a une densité plus faible que le liquide dans lequel il se trouve flottera.

Vous pouvez vraiment voir les densités relatives à l’œuvre lorsque vous observez un objet lourd qui flotte et un objet plus léger qui coule. Par exemple, imaginez que vous mettez un petit morceau d’argile et une grande et lourde bougie de cire dans une baignoire d’eau. Même s’il est plus léger, le morceau d’argile a une densité plus élevée que l’eau et coule donc. Même si elle est plus lourde, la cire a une densité plus faible que l’eau, donc la grosse bougie flotte.

Couler et flotter s’applique aussi aux liquides. Par exemple, si vous ajoutez de l’huile végétale à de l’eau, l’huile flotte sur l’eau parce que l’huile a une densité plus faible que l’eau.

La flottabilité et le principe d’Archimède
Le philosophe grec antique Archimède a découvert que lorsqu’un objet est immergé dans l’eau, il repousse sur le côté (ou déplace) une quantité d’eau ayant la même masse que l’objet.

L’eau pousse vers le haut contre l’objet avec une force (flottabilité) égale au poids de l’eau qui est déplacée.

Explorons le principe d’Archimède en laissant tomber une boule de bowling dans une baignoire d’eau. Lorsque la boule est immergée dans l’eau, elle déplace son volume en eau. Selon le principe d’Archimède, l’eau peut  » repousser  » avec une force égale au poids de l’eau qui a été déplacée.

Un litre d’eau a une densité de 1 kilogramme par litre (1 kg/L), donc la valeur d’une boule de bowling en eau (4,5 L) peut repousser sur la boule de bowling avec une force égale à 45 newtons (N). C’est le poids d’une masse de 4,5 kg. Cependant, le poids de la boule est plutôt de 55 N. C’est plus que la force de flottaison de l’eau qu’elle a déplacée, donc elle coule.

Un ballon de plage peut avoir le même volume qu’une boule de bowling, mais sa masse est beaucoup plus petite. Lorsque vous un ballon de plage dans une baignoire d’eau, il déplace la masse d’eau égale à sa propre masse – environ 0,01 kg. Si vous essayez de pousser le ballon de plage vers le bas et de déplacer davantage d’eau, l’eau vous repoussera avec une force supérieure au poids du ballon de plage. La poussée de l’eau maintient le ballon de plage à flot.

La flottabilité est la force ascendante dont nous avons besoin de la part de l’eau pour rester à flot. Les forces de flottabilité expliquent pourquoi nous nous sentons beaucoup plus légers lorsque nous sommes dans une piscine. Notre corps est principalement composé d’eau, notre densité est donc assez proche de celle de l’eau. Pour cette raison, une personne moyenne n’a besoin que d’un peu de flottabilité supplémentaire pour flotter. Un gilet de sauvetage fournit cette portance supplémentaire.

Modifier la densité
Vous pouvez modifier la densité d’une substance en la chauffant, en la refroidissant ou en lui ajoutant quelque chose. Si un objet coule dans l’eau, c’est parce que l’objet a une densité supérieure à celle de l’eau. Il existe cependant deux façons possibles de faire flotter cet objet :

1. Augmenter la densité de l’eau de sorte que l’eau devienne plus dense que l’objet. Par exemple, un œuf va généralement couler dans un verre d’eau, car il est plus dense que l’eau. L’ajout de sel à l’eau augmente la densité de l’eau, ce qui permet à l’œuf de flotter. Cette expérience fonctionne aussi avec les personnes, mais il faut beaucoup de sel (essayez l’océan, ou encore mieux, la mer Morte !)
   
2. Augmentez le volume de l’objet pour que celui-ci devienne moins dense que l’eau. La glace flottant dans l’eau en est un excellent exemple. La glace est formée par la congélation de l’eau. Lorsqu’elle gèle, elle augmente de volume car les molécules d’eau s’éloignent les unes des autres pour s’adapter à la structure en treillis de la glace. Comme la glace est désormais moins dense que l’eau, elle flotte. Ce phénomène explique également pourquoi les navires flottent, même s’ils sont fabriqués en acier. Un navire est construit de telle sorte qu’il renferme une grande quantité d’espace ouvert. Le navire déplace toujours son poids dans l’eau, mais en raison de la façon dont le navire est construit, il prend plus d’espace que le volume de l’eau qu’il déplace, donc il flotte.
   

Vocabulaire

Archimède : Mathématicien, physicien, ingénieur, inventeur et astronome grec (vers 287 av. J.-C. – vers 212 av. J.-C.).
Principe d’Archimède : Tout objet totalement ou partiellement immergé dans un fluide est porté par une force égale au poids du fluide qui est déplacé par l’objet. En d’autres termes, la flottabilité est égale au poids du fluide déplacé.
La flottabilité : La force ascendante qu’un fluide exerce sur un objet moins dense que lui ; la capacité de flotter.
Densité : La façon dont les molécules d’un objet ou d’une substance sont serrées les unes contre les autres.
Déplacer : Pousser hors du chemin. Par exemple, lorsqu’un objet entre dans l’eau, il déplace l’eau.
Immiscible : Incapable d’être mélangé ensemble, comme l’huile et l’eau.
Bois de fer : Nom d’un grand nombre de bois qui ont la réputation d’être durs et de présenter une densité élevée.
Masse : La quantité de matière dans un espace donné.
Matière : La substance qui compose toutes les choses physiques.
Pierre ponce : Ecume de lave connue pour sa petite masse et sa faible densité, malgré son apparence de roche.
Poids : Une mesure de la force de gravité sur un objet.
volume : La quantité d’espace que prend une substance ou un objet.

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