2nde Thème : sport TP n°27
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. Expérience 1 : La force pressante et l’air
Gonfler légèrement un ballon de baudruche, le fermer puis le mettre sous une cloche à vide.
Enlever une partie de l’air enfermé sous la cloche.
Rajouter de l’air 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 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
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 F⃗
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 ?
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 ⃗F1, ⃗F2 et ⃗F3.
2.3. Les jets d’eau ont-ils la même intensité ?
2.4. De quel paramètre semble dépendre la valeur de l’intensité 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. Expérience 3 : Pression et force pressante
On raccorde une seringue renfermant de l’air à un manomètre puis on pousse le piston de la seringue.
On enlève le manomètre, on bouche la seringue avec un doigt, puis on pousse le piston.
➢ Interprétation
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1.1. Comment varie la Pression ?
1.2. Comment varie l’action de l’air sur le doigt ?
1.3. En déduire comment varie la force pressante lorsque la pression de l’air dans la seringue augmente.
2. Expérience 4 : 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.
➢ Est-ce une représentation cohérente ?
2.1. Vous disposez de disques rigides d’aires différentes, de masses marquées, et de farine. A l’aide de ce matériel proposez un protocole expérimental
permettant les paramètres ayant une influence sur la déformation d’un support déformable et réalisez les vérifications.
2.2. 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.
Quelle relation semble exister entre ces grandeurs ? a : P = F × S ; β : P = F
S ; γ : P = S F 3. 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), le millimètre de mercure (760 mm Hg = 1 atm)
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.
4. Pression dans un liquide
4.1. Reprenons l’expérience des 3 jets. Que peut-on en déduire sur la pression P dans un liquide en fonction de la profondeur z?
Voir l'animation sur
la variation de la pression dans un liquide en fonction de la profondeur z et de la masse volumique du liquide 4.2. Comment varie la pression P en fonction de la profondeur z ?
4.3. Quelle fonction mathématique correspond à l'évolution de la pression P en fonction de la profondeur z ? 4.4. 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 4.5. 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 ?
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. Expérience 5
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.
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.
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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
Calculer le produit P ´ V. Compléter la 3ème ligne du tableau.
1.1. Que peut-on dire du produit P x V ?
1.2. Parmi les grandeurs P,V, n et T ; quelles sont celles qui ne varient pas lors de la série de mesures ? 1.3. 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 continu 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.
2.3. Expliquer la phrase soulignée dans le texte
3. Expérience 6 : effet de la pression sur la température d'ébullition
Plaçons une bouteille remplie d'au 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 ? 4. Application à la plongée sous-marine : Pourquoi faut-il remonter lentement?
L'air est constitué d'environ 20 % de dioxygène et 80 % de diazote. Ces gaz sont solubles dans le sang. Au cours d'une plongée, la pression qui s'exerce sur le plongeur augmente avec la profondeur. Il en est de même pour celle de l'air qu'il respire. Cette augmentation de pression fait augmenter la solubilité des gaz dans le sang. Cela peut avoir plusieurs conséquences:
➢ Le dioxygène devient toxique pour une pression supérieure à 1,6 bar, et le diazote entraîne la narcose pour une pression supérieure à 5,6 bars. Cela limite la profondeur pouvant être atteinte sans danger.
➢ Au cours d'une remontée, la pression diminue et les gaz dissous doivent être évacués. Le dioxygène est consommé par les cellules. Le diazote se vaporise et passe lentement dans les poumons. En cas de remontée trop rapide, le diazote n'a pas le temps de s'évacuer par les poumons, de grosses bulles apparaissent dans le sang. Elles peuvent boucher les vaisseaux sanguins et provoquer une embolie pulmonaire. Lors de la remontée, le plongeur doit respecter des paliers de décompression.
➢ Interprétation du texte :
4.1. Lors de la remontée, comment évolue la pression de l’air contenu dans les poumons du plongeur ? 4.2. Quels risques présente une remontée trop rapide ?
4.3. Expliquer la phrase soulignée du texte.
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