18 Juillet 2012

Mais comment font-ils pour s’envoler ?

Aucun moteur, aucun combustible, un risque de panne infime : peut-on imaginer véhicule plus simple que le ballon ? Sa structure est dépouillée à l'extrême : un peu de gaz contenu dans une bulle de matière plastique !

Pourquoi les ballons s’envolent-ils ?

Comment expliquer qu'un kilo de plomb tombe et finisse au fond d'une piscine, qu'un kilo de bois tombe aussi mais flotte et qu'un kilo d'hélium, contenu dans une fine enveloppe, s'envole spontanément ? Tous ces objets sont pourtant pesants, puisque les masses négatives n'existent pas.

La gravitation aurait-elle des exceptions ?

Non, mais on oublie de préciser que ces objets sont toujours soumis à deux forces opposées, leur poids et la poussée d'Archimède. Selon la résultante de ces deux forces, ils iront vers le haut ou vers le bas.

La poussée d’Archimède se manifeste spontanément sur tous les objets plongés dans un fluide (liquide ou gaz) .

Elle exerce une force égale au poids du même volume que celui de l’objet s’il était rempli du fluide environnant et est dirigée vers le haut.

Elle s’oppose à une autre force, contraire, toute aussi naturelle : la pesanteur.

Nota : Comme dans la vie courante, et par souci de simplicité, on exprimera les poids en unités de masse (kg et g), alors qu'en toute rigueur l'unité légale est le newton.

Pour illustrer : Prenons une balle de ping-pong d’environ 20 cm3, remplie d’air que l’on plonge dans l’eau d’un aquarium. Dès que la main la libère, elle remonte rapidement, puis s'immobilise à la surface. La balle est remontée, parce qu'elle a été « victime » d'un phénomène naturel : la poussée d'Archimède.

Dans notre expérience, on appelle ainsi l'action de l'eau sur la balle.

Dans l'aquarium, la balle a pris la place d'un certain volume d'eau (environ 20 cm3). Elle subit la pression de l'eau environnante sur toute sa surface. Un calcul simple montre qu'il en résulte une force appelée la poussée d'Archimède égale au poids d'une balle qui serait remplie d'eau et dirigée vers le haut.

Plus physiquement, cette balle immergée dans l’aquarium subit deux forces contraires :

  • La force de la gravitation qui l’attire vers le bas d’une valeur de ~ 2 g (poids de la balle de ping-pong, y compris l’air dont elle est remplie),
  • La poussée d’Archimède qui l’attire vers le haut, d’une valeur de ~ 20 g (1 cm3 d’eau pesant 1 g).

La force de la poussée d’Archimède étant 10 fois supérieure à la force gravitationnelle, la balle remonte spontanément à la surface de l’eau. Elle arrête alors sa remontée ; en effet, lorsque la balle arrive à la surface de l’eau, la poussée d’Archimède a changé de valeur...

En effet, la balle occupe à présent le volume d'une quantité d'air qui ne pèse plus que... 0,03 g !

Dans l'air, la balle de ping-pong est encore soumise à deux forces opposées :

  • Son poids, inchangé (~ 2 g),
  • La poussée de l'air, d’une valeur de 0,03 g, soit 77 fois plus faible.

Elle ne peut donc que descendre... mais l'eau l'empêche d'aller plus bas que la surface. En effet, l'air, qui est 770 fois moins dense que l'eau est, à ce point de vue, beaucoup moins « efficace »...

Si la poussée d'Archimède se manifeste spontanément dans tous les fluides (liquides ou gaz), ses effets ne sont pas toujours aussi spectaculaires que sur cette petite balle de ping-pong. Par exemple, qui soupçonnerait qu'elle s'exerce sur chacun de nous ?

Supposons une personne d’un poids égal à 50 kg. Son corps « déplace » un volume d'air d'environ 50 l et, par conséquent, subit une poussée d’Archimède de 65 g ! Poussée dérisoire, convenons-en. Heureusement, d'ailleurs, car si elle valait 65 kg, la personne s'envolerait !

Comment donc soulever dans l’air une charge importante ? : L’accrocher à une grosse « bulle » remplie d'une substance moins dense que l'air atmosphérique.

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