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2nde Thème : Sport TP n°28
Physique La pression et le sportif Chap.20
I. Action mécanique des fluides et force pressante
Les gaz et les liquides sont des fluides constitués de molécules qui s’agitent constamment de façon désordonnées et qui agissent sur les corps qui les entourent. On va modéliser les actions mécaniques mises en jeu.
1. La force pressante et l’air
Un ballon de baudruche légèrement gonflé est placé sous une cloche à vide.
Expérience 1 : L’air enfermé sous la cloche est enlevé.
Expérience 2 : l’air est de nouveau introduit sous la cloche.
Interprétation :
1.1. Qu’observe-t-on lorsque l’air est retiré de la cloche ?
...
1.2. Qu’observe-t-on lorsque l’air est introduit de nouveau sous la cloche ?
...
1.3. Pourquoi peut-on affirmer que l’air contenu dans le ballon exerce une action sur la paroi du ballon ?
...
...
1.4. Pourquoi peut-on affirmer que l’air autour du ballon exerce une action sur la paroi du ballon ?
...
...
L’action exercée par l’air sur une petite surface de la paroi du ballon est modélisée par une force appelée force pressante notée F .
1.5. La force pressante exercée par l’air contenu dans le ballon sur la paroi du ballon est-elle orientée vers l’intérieur ou vers l’extérieur du ballon ? ...
La représenter ci-contre sur une petite surface du ballon. On la notera F .
1.6. La force pressante exercée par l’air autour du ballon sur la paroi du ballon est-elle orientée vers l’intérieur ou vers l’extérieur du ballon ? ...
La représenter sur le schéma précédent sur la même surface S du ballon. On la notera F ‘.
1.7. Comment varie la valeur de cette force pressante lorsque la pression de l’air dans la cloche augmente ? ...
1.8. Sachant que ces deux forces pressantes coexistent, comment pouvez vous interpréter le gonflement (donc la déformation de la paroi) du ballon ?
...
...
2. Expérience 2 : La force pressante dans un liquide : expérience des 3 jets
A l’aide d’un tire-bouchon, une bouteille en plastique est percée de trois trous à différentes hauteurs. Les trous sont bouchés avec du scotch, puis la bouteille est remplie d’eau colorée. Lorsque le scotch est enlevé, on observe des jets d’eau qui se forment par les trois trous.
Interprétation
2.1. Comment sont orientés les jets d’eau à la sortie des trous ?
...
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2.2. En déduire l’orientation (direction et sens) de la force pressante qui modélise l’action exercée par l’eau colorée sur la bouteille. Dessiner ces forces qui pourront être notée F 1, F 2 et F 3.
2.3. Les jets d’eau ont-ils la même intensité ?
...
2.4. De quel paramètre semble dépendre la valeur de la force pressante exercée par l’eau colorée sur la bouteille ? ...
2.5. Pourquoi la bouteille ne se déforme-t-elle pas ?
...
II. La pression
La pression est mesurée par un manomètre mais que représente-t-elle ? Comment varie-t- elle ?
1. Modifier une pression
Le Yéti ou l’abominable homme des neiges a inspiré de nombreux auteurs. Son
existence repose sur l’observation d’empreintes étranges dans les neiges de l’Himalaya au cours du XXe siècle. Sur la représentation ci-contre, les empreintes de tous les personnages semblent aussi profondes les unes que les autres.
1.1. Vous disposez de disques rigides d’aires différentes, de masses marquées, et de
farine. A l’aide de ce matériel, proposer un protocole expérimental permettant les paramètres ayant une influence sur la déformation d’un support déformable
...
...
...
...
...
1.2. Réaliser les expériences après accord du professeur
1.3. La déformation traduit l’existence d’une pression P. On appelle F la valeur de la force exercée par la masse marquée et S l’aire de la surface pressée. Entourer la relation qui existe entre ces grandeurs :
: P = F × S ; β : P = F
S ; γ : P = S F 2. Définition de la pression
Si un fluide exerce sur une surface d’aire S une action mécanique modélisée par une force pressante d’intensité F, alors on appelle pression P du fluide sur la surface la grandeur donnée par :
... ; F s’exprime en newton (N), S en mètre carré (m2) et P en pascal (Pa)
L’unité légale de la pression est le pascal de symbole Pa
Dans la pratique on utilise l’hectopascal ( 1hPa = 100 Pa), le bar ( 1 bar = 105 Pa) ou aussi le millibar (1 mbar = 10-3 bar = 1 hPa) ; l’atmosphère ( 1 atm = 1,013 105 Pa)
La pression de l’air qui nous entoure est appelée pression atmosphérique. Elle est notée Patm. Elle diminue lorsque l’altitude augmente et elle dépend des conditions météorologiques.
III. Effets physiologiques de la pression en plongée
Quand un apnéiste s’immerge et descend vers les profondeurs, il emporte de la surface une certaine quantité d’air dans ses poumons. A mesure que la profondeur croît, la pression subie augmente (1 bar tous les 10 m ). Si la pression n’a aucun effet sur le volume des parties solides ou liquides du corps, elle en a une sur l’air contenu dans les poumons
1. Loi de Boyle-Mariotte
Pour une température T donnée et une quantité de matière n de gaz constantes, la loi de Boyle-Mariotte donne la relation entre la pression P et le volume V de ce gaz.
Pour retrouver cette loi on dispose d’une seringue reliée à un manomètre Ouvrir le robinet
Régler le volume sur 30 cm3 puis fermer le robinet.
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Mettre en marche le capteur de pression.
Déplacer lentement la vis de réglage du volume de la seringue pour ne pas modifier la température de l’air emprisonné.
Attention à ne pas dépasser la pression de 2000 hPa.
Compléter la 2ème ligne du tableau suivant où V désigne le volume de la seringue et P la pression de l’air.
Ouvrir de nouveau le robinet et arrêter le capteur de pression.
V (cm3) 60 55 50 45 40 35 30 25 20
P (hPa) P V (hPa.cm3)
Exploitation des mesures
1.1. Calculer le produit P V. Compléter la 3ème ligne du tableau.
1.2. Que peut-on dire du produit P V ?
...
1.3. Parmi les grandeurs P,V, n et T ; quelles sont celles qui ne varient pas lors de la série de mesures ?
...
1.4. En déduire un énoncé de la loi de Boyle-Mariotte
...
...
2. Application à la plongée : Pourquoi faut-il souffler en remontant?
Dans une bouteille de plongée, l’air est stocké sous grande pression. Le détendeur permet au plongeur de respirer de l’air à la même pression que celle de l’eau gui l’entoure. À 10 m de profondeur, cette pression est deux fois plus importante que la pression de l’air à la surface.
Lorsque le plongeur remonte vers la surface, la pression diminue. Suivant la loi de Boyle-Mariotte, la
diminution de pression s’accompagne d’une augmentation du volume de l’air contenu dans ses poumons. Si le plongeur bloque sa respiration lors de la remontée, l’air continue à se dilater jusqu’à atteindre la limite
d’élasticité des poumons. Il est donc dangereux de bloquer sa respiration lors de la remontée.
Interprétation du texte :
2.1. En utilisant la loi précédente dire comment évolue le volume d’air enfermé dans les poumons d’un plongeur quand il descend en apnée vers les profondeurs ?
...
2.2. A 10 m de profondeur, une quantité d’air donnée occupe un volume de 3,0 L. Quel volume cette même quantité d’air occupe-t-elle lorsqu’elle arrive à la surface ? On sait, qu’à 10 m, la pression est deux fois plus importante que la pression de l’air à la surface.
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2.3. Expliquer la phrase soulignée dans le texte.
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3. Effet de la pression sur la température d’ébullition
Plaçons un bécher rempli d’eau chaude (≈ 60°C) sous la cloche à vide ainsi qu’un « chamallow » et un petit ours en guimauve
Aspirons l’air pour diminuer la pression de la cloche.
Interprétation :
3.1. Qu’observe-t-on lorsque la pression diminue ?
...
3.2. Qu’observe-t-on lorsque la pression augmente de nouveau ?
...
3.3. Quelle est l’influence de la pression sur la température d’ébullition d’un liquide ?
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4. Pression dans un liquide
4.1. De l’expérience des 3 jets, comment varie la pression P dans un liquide en fonction de la profondeur z ? ...
Voir l’animation sur la variation de la pression en fonction z et de la masse volumique du liquide
4.2. Quelle fonction mathématique correspond à l’évolution de la pression P en fonction de la profondeur z ? ...
4.3. Quelle est l’influence de la masse volumique sur la courbe ?
...
La relation entre P (en Pa) et z (en m) est une fonction ... : ...
Le coefficient directeur a est égal au ... où ...
...
...
L’expression de la pression s’écrit alors : P = ...
La différence de pression entre deux points d’un liquide dépend de la différence de profondeur entre ces points 4.4. En plongée, avec un profondimètre, on utilise cette propriété pour connaître la profondeur z à laquelle on se
trouve. Cela est très important lorsqu’il s’agit de respecter les paliers de décompression. Comment fonctionne cet appareil ?
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...
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