MOUVEMENTS ET INTERACTIONS
CH11 DESCRIPTION D’UN FLUIDE AU REPOS
AE FORCES PRESSANTES
Notions et contenus : Actions exercées par un fluide sur une surface : forces pressantes. Exploiter la relation F = P.S pour déterminer la force pressante exercée par un fluide sur une surface plane S soumise à la pression P.
I/ Mise en évidence des forces pressantes.
1°) Expérience 1 : Le ballon de baudruche
On dispose d’une cloche à vide et d’un ballon de baudruche. On met le ballon de baudruche contenant un peu d’air sous la cloche à vide (a).
Avant d’actionner la pompe
1) gonflé 2) Le gaz présent sous la cloche est l’air 3) On actionne la pompe à vide durant une minute (b). 1) 2) 3) La quantité d’air à l’extérieur du ballon, sous la cloche diminue fortement. 4)
1) Quel est l’aspect du ballon?
Le ballon a un aspect flasque, partiellement gonflé.
2) Quel est le gaz présent sous la cloche ?
Le gaz présent sous la cloche est l’air (80% de diazote et 20% de dioxygène) 3) Comparer la pression à l’intérieur et à l’extérieur du ballon.
La pression à l’intérieur et à l’extérieur est la même. Il y a un équilibre.
On actionne la pompe à vide durant quelques minutes (b).
1) Quel est l’aspect du ballon ? Le ballon se gonfle
2) La quantité d’air à l’intérieur du ballon a-t-elle changé ? Justifier La quantité d’air à l’intérieur du ballon n’a pas changé puisqu’on n’introduit pas d’air dans le ballon.
3) Que peut-on dire de la quantité d’air à l’extérieur du ballon, sous la cloche ? La quantité d’air diminue
4) Comparer la pression à l’intérieur et à l’extérieur du ballon.
La pression à l’extérieur du ballon devient plus faible qu’à l’intérieur. Le ballon gonfle jusqu’à retrouver un équilibre entre la pression intérieure et extérieure
L’action mécanique exercée par l’air sur une petite surface de la paroi du ballon est modélisée par une force appelée force pressante.
Représenter par des flèches les forces pressantes s’exerçant sur la paroi du ballon avant et après pompage.
On représentera :
l’action de l’air intérieur du ballon par des flèches vertes notées 𝐹⃗⃗ 𝑖
l’action de l’air extérieur du ballon par des flèches rouges notées 𝐹⃗⃗⃗ 𝑒
Pendant l’activation de la pompe
2°) Mise en évidence de la direction des forces pressantes
Une bouteille en plastique est percée de trois trous à différentes hauteurs.
Boucher les trous avec du scotch.
Remplir la bouteille d’eau jusqu’au bouchon.
Enlever les trois morceaux de scotch simultanément.
1. Compléter le schéma de droite en représentant la direction des jets.
2. Que peut-on dire de la direction du jet d’eau par rapport à la paroi du récipient ? La direction du jet d’eau est perpendiculaire à la paroi du récipient
3.a) Les jets d’eau ont-ils la même intensité ?
Les jets d’eau n’ont pas la même intensité. Le jet le plus bas est le plus intense
3.b) De quel paramètre semble dépendre l’intensité de cette force pressante
?
L’intensité de cette force pressante dépend de la profondeur, du volume d’eau au dessus du trou, de la pression exercée par l’eau. Tous ces paramètres sont liés.
II. Notion de pression
1) Etude du premier paramètre : la surface S a) Expérience :
Promenade en raquettes Trois personnes marchent sur une couche de neige fraîchement tombée. La première personne est en chaussures, la seconde est équipée de raquettes de randonnée de loisir (assez larges ; pour des marches modérées de 5 à 8 km) et la troisième porte des raquettes destinée à la pratique de l’alpinisme (plus larges ; pour des pentes raides, des longs parcours et le hors sentier). Les trois randonneurs ont exactement le même poids.
La neige est modélisée par de la farine. Veiller à ce que le niveau de la farine soit le même dans tout le récipient.
Pour modéliser un randonneur, on utilise une masselotte.
Pour le premier randonneur à chaussures : poser directement la masse sur la farine.
Pour le second randonneur équipé de raquettes de loisir : scotcher la masselotte sur un petit disque de surface S1 en carton, et la déposer sur la farine.
Faire de même, pour le troisième randonneur équipé, lui, de raquettes d’alpinisme : fixer la masse sur un disque plus grand de surface S2 en carton et la poser sur la farine.
Indiquer qualitativement pour chacun des trois cas la déformation subie par la couche neigeuse (farine).
La couche neigeuse est très déformée et l’on s’enfonce plus avec les chaussures, un peu moins avec les raquettes de loisir et très faiblement avec les raquettes d’alpinisme.
b) Interprétation :
A force pressante constante, comment évolue la pression si la surface de contact S augmente ? A force pressante constante, si la surface de contact S augmente, la pression diminue.
2) Etude du deuxième paramètre : la valeur de la force pressante F.
a) Expérience : Ascension du Mont Blanc
Lors de l’ascension du Mont Blanc, trois randonneurs sont équipés de raquettes identiques destinées à la pratique de l’alpinisme. Ils portent leur équipement et leurs vivres dans un sac à dos. Le poids de chaque sac à dos est différent.
Pour modéliser les trois randonneurs et leur sac, on utilise des masselottes de masse différentes que vous choisirez vous-même en fonction des disponibilités (50g/100g/200g ou 100g/200g/500g).
Reproduire l’expérience précédente en tenant compte des nouvelles données.
Indiquer pour chacun des trois cas la déformation subie par la couche neigeuse.
Couche peu déformée pour m50, déformée pour m100, très déformée pour m200.
b) Interprétation :
1. Calculer la valeur du poids de chaque objet. (Donnée : g=9,81 N.kg-1)
Poids de chaque objet p= mxg avec p poids de l’objet en newton, masse en kg et g intensité de la pesanteur g=10 N/kg
p50g = mxg = 50.10-3 x 9,81 = 0,49 N p100g = mxg = 100.10-3 x 9,81 = 0,98N p200g = mxg = 200.10-3 x 9,81 = 1,96N p200g = mxg = 500.10-3 x 9,81 = 4,90N
2. En déduire la valeur de la force pressante exercée par chaque objet sur le support.
La seule force responsable de la pression exercée sur la neige est le poids des randonneurs avec leur sac donc F=P
3. A surface constante S, comment évolue la pression si la force pressante F augmente ? A surface constante S, si la force pressante F augmente, la pression P augmente
3) Conclusion
4. De quoi la déformation subie par la couche neigeuse dépend-elle ?
La déformation subie par la couche neigeuse dépend donc de la surface en contact avec la neige S et de la force pressante F.
5. Proposer la bonne formule, parmi les solutions suivantes : (justifier la réponse) P = F × S P = F
S P =S F
On vient de voir que P augmente avec F, donc F est proportionnelle à P, et doit se trouver au numérateur.
P est inversement proportionnelle à S, (quand S augmente, P diminue), donc S est au dénominateur.
La seule expression possible est P= F / S
4) Quelles sont les conséquences ? Recopier les phrases suivantes en les complétant
Pour une même force pressante F, on augmente la pression en ... .diminuant... la surface pressée.
Pour une même surface pressée S, on augmente la pression en ... augmentant... la force pressante.
