Imaginons un gaz dans une boîte. Les particules minuscules qui composent le gaz, et qui bougent toutes sans contrainte sont agitées de mouvements extrêmement rapides. Elles se cognent entre elles très souvent, et elles se cognent aussi beaucoup contre les parois de la boîte. Donc elles appuient dessus. Donc un gaz appuie sur les objets avec lesquels il est en contact. Il en est de même avec un liquide, parce qu'un liquide, comme un gaz, est constitué de particules qui ne sont pas liées entre elles. On appelle cela un fluide. Les gaz et les liquides sont des fluides. baromètre anéroïde

On appelle pression la force avec laquelle un gaz appuie sur une surface. Pour vous convaincre que cette pression peut être très forte, il faudrait faire une expérience simple : prendre une cloche de verre, posée hermétiquement sur le sol, et dans laquelle on a fait le vide. Vous n'arriveriez sans doute pas à soulever la cloche : en effet, l'air extérieur appuierait dessus extrêmement fort, alors qu'il n'y aurait aucune pression à l'intérieur. Si la cloche avait par contre été pleine d'air, vous n'auriez eu aucun mal à la soulever : l'air aurait appuyé autant à l'intérieur qu'à l'extérieur. Si la cloche est vide, il vous faut donc, en plus du poids de la cloche, vaincre la pression atmosphérique.

C'est ce qui se passe souvent avec les pots de confiture ou les bocaux de paté. En général, la pression dans le pot est très faible par rapport à la pression de l'air. Donc ils sont durs à ouvrir. On cherche alors parfois à soulever un tout petit peu le couvercle sur le bord avec un couteau pour faire entrer un peu d'air. Ensuite le pot est naturellement facile à ouvrir, puisque les pressions sont égales des deux côtés du couvercle.

C'est aussi le principe des ventouses sur une vitre: on expulse l'air qui se trouve entre la ventouse et la surface sur laquelle la ventouse est appuyée, et l'air qui est au dehors maintient la ventouse collée. Une ventouse, ça ne marcherait pas dans le vide ! Evidemment, il faut que la ventouse soit étanche : que l'air ne puisse pas pénétrer par le côté. Souvent, si on mouille la ventouse, elle marche mieux, car c'est l'eau qui assure l'étanchéité : elle fait barrage à l'air.

C'est même le principe de la colle ! Si la colle colle, c'est parce qu'il y a à l'intérieur de la colle de minuscules bulles de gaz en dépression par rapport à l'air ambiant. Donc si la colle colle, c'est parce que l'air appuie sur l'objet qu'on colle, haha ! Et donc de même, la colle dans le vide, ça ne sert à rien. Pas la peine d'essayer de coller des morceaux extérieurs de la station spatiale avec de la superglu !

On vient de voir qu'il est essentiel, quand on veut comprendre comment un fluide agit sur un objet, de savoir comment est la pression autour de l'objet. On sait ainsi si le fluide appuie plus dans une certaine direction, ou si au contraire, il appuie de la même manière de tous les côtés, ce qui est en général le cas.

La pression se mesure avec un manomètre en général, la pression atmosphérique se mesure à l'aide du baromètre.

La valeur de la pression atmosphérique peut se mesurer avec le baromètre de TORRICELLI.
Un tube de verre, plein de mercure (Hg), est fermé à une extrémité. On le retourne dans un bac contenant du mercure Hg. La force F exercée sur la surface libre dans le bac par la pression atmosphérique empêche le tube de se vider et laisse dans le tube une colonne de mercure de 76 cm (0,76m) de hauteur. Cette colonne de 76 cm de Hg représente la valeur de la pression atmosphérique normale, c'est-à-dire au niveau de la mer. En pascals, nous aurons : (densité r du mercure = 13600 kg/m)

p = w. h = (13 600 x 9,81) x 0,76 = 101 396 pascals soit 1,013 bar soit 1013 millibar !

Avec : p en pascals ; v en N/m2 ; h en mètres
Sur les cartes météo on fait figurer la pression atmosphérique ramenée au niveau de la mer pour ainsi facilement comparer les pressions en différents lieux géographiques en s'affranchissant de l'altitude. Lorsque l'on monte la pression de l'air diminue (1 hectopascal anciennement le millibar par 8m de hauteur). Sur ces cartes météo on joint les points où la pression au sol est la meme et on obtient des courbes isobares qui sont des lignes d'égale pression. Ainsi on va repérer les anticyclones et les dépressions.

La poussée d'Archimède

Si vous avez dejà fait de la plongée, vous devez savoir que plus on descend profond dans l'eau, plus la pression augmente.

Comment le comprendre ? En imaginant que vous plongiez votre main dans l'eau, paume vers le haut. Vous ressentez à ce moment là la pression, c'est à dire la force exercée par l'eau sur votre main. Cette force, c'est le poids de l'eau qui se trouve au dessus de votre main. Or, plus vous descendez profond, plus le poids de l'eau au dessus de vous est important (plus la hauteur de l'eau est importante), donc en fait, plus la pression est importante. Voici pourquoi en descendant, la Archimède fait monter le ballon

pression de l'eau augmente. Bon, en fait, il n'est pas important que votre main soit effectivement tournée vers le haut. Les fluides transmettent la pression dans toutes les directions. Vous auriez ressenti la même pression si vous aviez tourné votre main de tous les côtés (en restant à la même profondeur). Ce qui compte, c'est seulement la profondeur, et donc combien d'eau il y a au dessus de vous.

Voyons maintenant ce qu'on appelle la poussée d'Archimède. Si on plonge une sphère dans de l'eau, la pression de l'eau au bas de la sphère est plus grande que la pression en haut de la sphère d'après ce qu'on vient de voir. En effet, le bas de la sphère est plus profond, donc là ou la pression est plus grande. Donc l'eau appuie moins au dessus de notre boule qu'au dessous.

Au final, la sphère ressent donc une force dirigée vers le haut, exercée par l'eau. Cette force provient de la différence de pression entre le haut et le bas de la sphère. On l'appelle poussée d'Archimède.

Il est important de comprendre si cette force est grande ou non. Si cette force est plus grande que le poids d'un objet, l'objet est poussé vers le haut, et reste à la surface : il flotte. C'est le cas des morceaux de bois, en général. Si cette force est plus petite que le poids d'un objet, c'est le poids qui gagne, et l'objet coule. C'est le cas des cailloux ou de la boule de pétanque, peucher !, comme ils disent dans le midi !. C'est donc cette force qui détermine si un objet coule ou flotte.

Prenons notre sphère de tout à l'heure, et imaginons un instant qu'à sa place, on ait de l'eau. L'eau à la place de la sphère n'aurait aucune raison de flotter ou de couler. Elle serait restée sur place. En fait, c'est que son poids aurait été compensé exactement par la poussée d'Archimède ! Et c'est ça qui est important, car la sphère subit exactement la même poussée d'Archimède que l'eau qu'on imaginait à sa place. Autrement dit : la sphère subit une poussée d'Archimède égale en intensité au poids de l'eau qui aurait été contenue dans le volume occupé par la sphère. Mais dirigée vers le haut.

Admettons par exemple que la sphère ait un volume d'un litre. Un litre d'eau a une masse d'un kilo. Donc la poussée d'Archimède qui s'exerce sur la sphère est dirigée vers le haut, et égale au poids d'un kilo. Donc deux solutions : soit la boule fait plus d'un kilo, auquel cas elle coule et on dit qu'elle est plus dense que l'eau. Ou alors la boule fait moins d'un kilo, et on dit qu'elle est moins dense que l'eau : la poussée d'Archimède est plus forte, la boule flotte.

Pourquoi les ballons volent ?

Vous connaissez maintenant la poussée d'Archimède: c'est elle qui fait qu'un objet coule ou flotte, dans l'eau. Eh bien elle existe aussi dans l'air ! C'est à dire qu'il s'exerce, même sur nous une force qui nous pousse vers le haut. Mais en fait, nous sommes beaucoup plus lourd que l'air : donc cette force, comparée à notre poids, est négligeable. Dans l'air, nous coulons, nous rampons, comme la boule de pétanque dans l'eau. Ce n'est plus le cas avec l'eau, et c'est pour cela que nous y flottons : nous sommes plus légers que l'eau. C'est encore mieux si l'eau est salée, car alors elle est plus dense que l'eau douce.

Par contre, on peut utiliser cette poussée d'Archimède dans l'air pour voler. Le tout est de devenir plus léger que l'air. Si vous prenez un objet, il ne peut flotter dans l'air que s'il est plus léger (tout compris) que son volume rempli d'air. C'est ce qu'on appelle "plus léger que l'air". Evidemment, un homme est plus lourd que l'air. Mais un homme plus quelque chose de beaucoup plus léger que l'air, ca peut faire un objet au final un peu plus léger que l'air.

Mais qu'est-ce qui est plus léger que de l'air ? Deux réponses ont été proposées : ballon sonde

Tout d'abord, certains gazs sont plus légers que l'air (oh ils ne sont pas nombreux !), comme l'hydrogène (mais il peut exploser et brûler dans l'air), et l'hélium (nettement plus intéressant, car il ne brûle pas !). Prenons donc l'hélium : il a une densité plus faible que l'air. C'est justement parce que l'hélium n'a pas la densité de l'air qu'il est plus léger. Les cordes vocales ne vibrent plus de la même manière dans de l'hélium que dans de l'air c'est pourquoi certains (c'est dangereux et imbécile car on peut s'etouffer par manque d'oxygène) s'amusent à "avaler" de l'hélium et s'amusent ensuite à faire des vocalises pour se donner une voix de Donald !!!. Certains plongeurs respirent un mélange d'oxygène et d'hélium pour les très grandes profondeurs, dans certains sous-marins. Ils profitent à plein de cet effet ! Donc on peu gonfler un ballon avec de l'hélium : si on en met assez, l'ensemble sera assez léger pour que la poussée d'Archimède le soulève. C'est comme ça qu'on obtient les ballons qui se soulèvent et qui volent.

Ensuite, l'air chaud est plus léger que l'air froid. Donc si on remplit un ballon d'air chaud, on obtient le même effet que s'il était rempli d'hélium ! C'est le principe de la montgolfière, bien sûr. Si on chauffe, on monte, si on arrête, l'air se refroidit dans le ballon ou s'échappe, et on redescend. Cela permet de manoeuvrer facilement en montant ou en descendant aprés c'est le vent qui va emporter le ballon et donc le déplacer horizontalement.

Pourquoi les avions... volent ?

Pour que vous compreniez mieux comment tout cela fonctionne, j'ai dessiné le profil d'une aile d'avion, juste en dessous.

La première chose que fait un avion, c'est qu'il s'appuie sur l'air, en inclinant légèrement ses ailes. Mais ça n'est pas tout, loin de là. Si il ne faisait que s'appuyer sur l'air, il ne pourrait pas voler. Un autre phénomène joue énormément, et pour l'expliquer, on va utiliser Bernouilli.

En fait, je dit que l'avion s'appuie sur l'air, c'est vrai : comme ses ailes sont inclinées, par rapport au "vent relatif", c'est à dire à l'air qui arrive sur ses ailes quand il avance, l'air est freiné par l'aile, il va plus lentement sous le dessous de l'aile qu'au dessus, et donc on a une supression. Il y a en quelque sorte "davantage" d'air, plus d'air = surpression.

Mais suivons un filet d'air qui passe au dessus de l'aile. Il "colle" à l'aile, et suis précisément son profil, mais du coup, cela fait qu'il est accéléré. En fait, l'air au dessus de l'aile est accéléré, ce qui crée une dépression, un "manque d'air". Au dessus de l'aile, la pression est donc inférieure à ce qu'elle est ailleurs.

C'est la combinaison de cette dépression au dessus de l'aile et de la surpression au dessous qui fait que l'avion est soutenu par l'air. Finalement l'avion est "aspiré" vers le haut. Pour augmenter cette portance, puisque c'est son nom, on peut augmenter l'inclinaison de l'aile : l'avion freine encore plus l'air, et la supression augmente. Cependant, au delà d'un certain point, l'air au dessus de l'aile ne suit plus le profil de l'aile, et donc il n'y a plus de dépression au dessus de l'aile. C'est très dangereux pour un avion, c'est ce qu'on appelle le décrochage. Ainsi, lorsque le Concorde s'est écrasé, il était en décrochage c'est à dire trop cabré. L'avion, à qui on a enlevé la moitié de sa portance, tombe.

Donc pour comprendre comment un avion vole, il ne suffit pas de dire qu'il s'appuie sur l'air ! Il faut aussi tenir compte du fait que l'air est accéléré au dessus de l'aile !

La pression atmosphérique.

La poussée d'Archimède

Pourquoi les ballons volent ?

Pourquoi les avions... volent ?