"Oasis of the Seas" est le plus grand navire de croisière au monde avec une masse de 100 000 tonnes, mais il flotte. Les concepteurs de navires utilisent le principe d'Archimède, qui stipule que pour qu'un bateau flotte, il doit déplacer un volume d'eau égal à son propre poids. Ce concept complexe est rendu plus accessible aux étudiants grâce à l'utilisation de démonstrations et d'expériences intéressantes comme celles décrites ci-dessous.
Comment tout a commencé
Dans la Grèce antique, le roi Hiéron II a commandé une couronne à un orfèvre local. Il doutait qu'il s'agisse d'or pur, alors il confia au philosophe-scientifique Archimède la tâche de le découvrir. Archimède est entré dans un bain chaud et a vu de l'eau se répandre sur le côté alors qu'il s'enfonçait dans la baignoire et réalisa que l'eau déplacée était égale au volume de son corps.
« Eurêka! s'est-il exclamé lorsqu'il a déterminé qu'il pouvait utiliser cette technique de déplacement pour calculer le volume et la densité de la couronne. Son test a prouvé que la densité de la couronne était inférieure à celle de l'or, donc la couronne n'était pas de l'or pur.
Balle contre coque
Lorsqu'on lui demande pourquoi un cylindre en aluminium coule, un élève peut répondre à tort: « Parce qu'il pèse plus. »
Donnez aux élèves deux morceaux de papier d'aluminium de 5 pouces sur 5 pouces. Trouvez la masse des deux. Demandez aux élèves de croquer un carré de papier d'aluminium en une boule serrée, de la laisser tomber dans l'eau et de la regarder couler. Expérimentez avec le deuxième carré jusqu'à ce que vous trouviez un moyen de faire flotter l'aluminium.
Lorsque l'aluminium a la forme d'un bateau, il flotte parce que le volume a beaucoup augmenté tandis que la masse est restée la même. La coque du bateau est remplie d'air, augmentant le volume sans ajouter de poids significatif. Le bateau flottera si la masse du bateau est inférieure à l'eau qu'il déplace. Avec une coque creuse, le bateau déplacera plus d'eau que la balle.
Ballon d'hélium en vol stationnaire
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La force de gravité dépend de la masse de l'objet pour le tirer vers le bas à travers un fluide. Lorsque l'objet commence à couler, la force de flottabilité agit pour pousser l'objet vers le haut. Si la force gravitationnelle est supérieure à la force de flottabilité, l'objet coulera. Les ballons à l'hélium flottent dans l'air parce que la masse de l'air qu'ils déplacent est supérieure à la masse de l'hélium et du ballon.
Attachez un ruban à un ballon d'hélium et il flottera parce que la force de flottabilité est supérieure à la force gravitationnelle. Augmenter la force de gravité en augmentant le poids. Attachez les bretzels au ruban en augmentant le poids jusqu'à ce que le ballon coule. Grignotez maintenant des petits morceaux de bretzel jusqu'à ce que le ballon commence lentement à monter. Si vous pouvez faire « planer » le ballon, la force gravitationnelle est égale à la force de flottabilité.
Expériences d'Archimède
En utilisant le principe d'Archimède, les élèves peuvent déterminer si un objet coulera ou flottera dans différents fluides.
Préparez un verre transparent avec de l'eau tiède. Ajoutez un raisin et il coulera. Ajoutez du sel dans le verre et le raisin commence à flotter. Rappelez-vous le principe d'Archimède: si un objet pèse plus que son propre volume en fluide, il coulera. L'ajout de sel à l'eau augmentera la masse par unité de volume jusqu'à ce qu'elle soit égale ou plus dense que le raisin. A ce moment, le raisin flottera.
Vous pouvez également inviter les élèves à proposer des idées intelligentes sur des objets de forme étrange qui peuvent ou non flotter, et à décrire comment ils pourraient être utilisés.