Pourquoi les bateaux flottent?

Si l’on jette une barre de fer à la mer, elle coule rapidement. En revanche, un bateau qui pèse beaucoup, beaucoup plus que la barre de fer et qui peut être fabriqué en métal, parvient à rester à flot sur l’eau.

La flottabilité est la propriété qui fait flotter les bateaux. Elle a été décrite pour la première fois par Archimède, l’un des plus grands scientifiques de l’Antiquité classique (287 av. J.-C. – 212 av. J.-C.). Le principe d’Archimède régit la manière dont la flottabilité d’un corps est déterminée. La loi de Boyle-Mariotte intervient dans le cas des corps compressibles, ce qui explique comment la flottabilité de ces corps change lorsque leur volume varie.

Flottabilité des navires et principe d’Archimède

Selon le principe d’Archimède, « un corps totalement ou partiellement immergé dans un fluide au repos est poussé vers le haut depuis le bas avec une force égale au poids du volume de fluide déplacé par le corps. » Cette force est connue sous le nom de poussée hydrostatique, et elle est mesurée en newtons selon le système international d’unités. La formule mathématique est la suivante :

La formule d’Archimède

Où :

E représente la poussée hydrostatique.

g représente l’accélération gravitationnelle.

La masse est désignée par m.

V représente le volume de fluide déplacé.

où est la densité du fluide.

L’accélération de la gravité sur Terre étant constante (9,81 m/s2), la poussée hydrostatique est déterminée par la densité du fluide et le volume de fluide déplacé (égal au volume de l’objet immergé). L’objet cesse de s’immerger lorsque la force de la poussée hydrostatique est égale au poids de l’objet.

Ce fait aurait été découvert par Archimède alors qu’il prenait un bain dans une baignoire. Pendant ce moment de détente, il a remarqué que lorsqu’un objet est immergé dans un fluide, comme l’eau de la baignoire, le niveau du fluide augmente parce que l’objet a déplacé une partie du fluide. Archimède a découvert que tout objet immergé dans un fluide coule jusqu’à ce que le poids du fluide déplacé soit égal au poids de l’objet.

La flottabilité de différents matériaux de densités différentes mais de volume égal sera différente. Prenons l’exemple d’un ballon gonflé rempli d’air et d’une pierre de taille similaire. Les deux objets occupent la même quantité d’espace, mais la pierre coule et le ballon flotte. Cela est dû à la densité plus élevée de la pierre.

Comme elle est plus dense, le poids de la pierre est supérieur au poids de l’eau qu’elle déplace et la force de flottaison hydrostatique n’est pas égale au poids de la pierre. La pierre coule au fond de la piscine. On dit que la pierre a un faible rapport volume/poids, ce qui signifie qu’elle a un petit volume mais un poids important. Un bateau est essentiellement une coque remplie d’air avec un rapport volume-poids élevé ; il déplacera rapidement un volume d’eau dont le poids est égal au poids du bateau, et donc le bateau flotte.