FLOTTABILITE     Comment l’Homme s’est-il inspiré des animaux pour flotteret se déplacer dans un milieu liquide ?   ThomasCHABANON Maxence LEHEETPEpremière S – Lycée Valmont / Lausanne     PLAN  1)   Notions de flottabilité / Principed’Archimède-       Définition flottabilité-       Calcul sur la poussée d’Archimède  2)   La Nature et ses différentessources d’inspiration-       Le nautile-       Le poisson-       Le canard-       Le gerris 3)   Applications par les Hommes-       Le bateau-       Le sous-marin   Conclu : Ouverture : les foils I – Notion de flottabilité  Nous savons que, par nature, certains objets comme le bois ou lepolystyrène flottent alors que d’autres, plus lourds, comme le plomb ou lemétal coulent.  Néanmoins, compte tenu de la flottabilité des bateaux et autresnavires, nous allons essayer, à l’aide de différentes expériences,  de définir plus précisément les critèresde flottabilité d’un objet.

Nous aborderons ensuite la Poussée d’Archimède, son rapportavec les forces de pression et la quantifierons à partir des notions de volume,de poids et de densité.  ·       1ere expérience : influence de la massed’un objet sur la flottabilitéL’objectif est de comparer la flottabilité d’objets ayant la mêmeforme et le même volume mais des masses différentes.  Matériel :-       Unbac rempli d’eau-       Desboites vides-       Pâteà modeler-       Unebalance  A partir d’une certaine masse l’objet coule. à La masse influence la flottabilité d’unobjet.   ·       2eme expérience : influence de la formede l’objet sur la flottabiliteL’objectif est de comparer la flottabilité de deux objets de mememasse mais de formes différentes. Matériel : –       Pâte àmodeler-       Un bacrempli d’eau-       Unebalance Nous constatons que l’objet flotte ou coule selon sa forme.

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à La forme del’objet influe donc sur la flottabilité. En fait, c’est l’espace occupé parl’objet dans l’eau qui influence son niveau de flottabilité.  ·       3eme expérience : influence de la densitédu fluide sur la flottabilitéNous faisons tomber deux billes de même masse dans un tube rempli d’eau,un autre rempli d’huile et un troisième rempli d’eau salée.Matériel : –       Troisbacs remplis respectivement d’eau, d’eau salée et d’huile-       Desbilles identiques en termes de forme et de masse Nous constatons que la bille atteint plus vite le fond lorsqu’elle estdans l’eau que lorsqu’elle est dans l’huile ou l’eau salée. à Le fluidedéplacé agit sur la flottabilité de l’objet. è Au travers de ces différentes expériences,nous avons ainsi mis en avant descritères de flottabilite.  La flottabilité d’un objet dépend ainsi de samasse, de sa forme et de la densité du fluide dans lequel il est plongé.

 En faisant le lien entre ces expériences et ce que nous avons vuen cours, nous pouvons affirmer que la flottabilité d’un objet résulte del’opposition de 2 forces verticales : ·       la force de gravité qui pousse tout objet versle bas et, ·       la force d’Archimède qui pousse un objetimmergé vers le haut. Définitionde la Poussée d’Archimède Archimède est un savant grec qui vécut de 287 à 212avant JC et dont le Traité des corps flottants énonce un des principesfondamentaux de l’hydrostatique (étude les liquides immobiles) : le théorème d’Archimède.Théorème « Toutcorps plongé dans un fluide subit une force verticale, dirigée de bas en hautet égale au poids du volume de fluide déplacé »« Cette force est appelée « pousséed’Archimède » ». Selon lalégende, le roi de Syracuse voulait savoir si sa couronne était faiteentièrement d’or ou si l’orfèvre l’avait trompé en mélangeant l’or à del’argent.

Il demanda à Archimède de résoudre ce problème. Archimède eut l’idéede comparer la densité de la couronne à celle de l’or. Il savait qu’un alliageor/argent avait une densité moindre que l’or. Si la couronne est en or pur, sonvolume serait égal à celui d’un morceau d’or de même masse. Commentdéterminer le volume de la couronne ? Enentrant dans son bain et en voyant l’eau déborder de la baignoire, il eut uneidée : le volume d’un corps immergé est égal à celui de l’eau qu’il déplace. Ilput ainsi mesurer le volume de la couronne et le comparer au volume du morceaud’or de référence. Le volume de référence était inférieur à celui de lacouronne. Donc la densité de la couronne était inférieure à celle du morceaud’or.

Il prouva ainsi que la couronne était composée d’un alliage.à La poussée d’Archimède est donc une force que subit tout corps plongé, entièrementou en partie, dans un liquide soumis à un champ de gravité. La poussée d’Archimède, qui pousse vers le haut,  s’oppose toujours au poids de l’objet quil’attire vers le fond. Cette force est caractérisée par :- le point d’application, c’est-à-dire le centre d’inertie du solide immergé(centre de gravité G),- sa direction qui est verticale,- son sens qui est vers le haut.Formule :  (surla Terre g = 9.81 N/kg) La poussée d’Archimède que reçoit un corps estd’intensité égale au volume du poids de l’eau qu’il déplace. La poussée d’Archimède s’applique dans le senscontraire du poids. Lefait de flotter dépend donc de la différence entre la poussée d’Archimède et lepoids.

–       Dans lepremier bac, la force en noir est plus forte que la force en bleu : lepoids l’emporte et l’objet coule au fond du récipient.-       Dans ledeuxième bac, l’objet est tiré vers le haut car la poussée d’Archimède est plusgrande que l’intensité du poids. Il flotte. –       Dansle dernier bac, les deux forces qui s’opposent sont quasiment égales. L’objetflotte et reste immobile.La force depoussée vers le haut exercée sur un corps immergé dans un fluide est égale aupoids du fluide déplacé par ce corps.è Cette poussée définie la flottabilité d’un corps.Prenonsun exemple : Flottabilité d’une boule de bowling ?  Le diamètre réglementaire d’une boule debowling est de 22 cm et son poids est de 5.

4 kg.  La boule de bowling a donc un volume de(4/3*?*R3) = 5572 cm3 = 5,6 dm3. Elle déplace par conséquent 5,6 dm3 d’eau quipèse 5,6 kg. Lapoussée d’Archimède est égale au poids du volume d’eau déplacée, soit 5,6*9,81=55 N. Lepoids de la boule de bowling est de 5,4*9,81 = 53 N. LaPoussée d’Archimède est supérieure au poids de la boule : la boule debowling  flotte ! Conclusion : La flottabilite d’un objet dépend de la Poussée d’Archimède qui dépendelle-même de plusieurs facteurs : ·      la gravité·      le volume d’eau déplacé·      la nature du liquide·      la forme de l’objet  II – Nature et flottabilité : différentessources d’inspirationsL’Homme observe,depuis toujours, la Nature et développe ainsi des outils et des techniques ens’inspirant des animaux ou des plantes.

Cela s’appelle le biomimétisme, défini dans le Larousse comme « une démarched’innovation durable qui consiste à transférer et à adapter à l’espèce humaineles solutions déjà élaborées par la nature ». è Nousallons voir comment l’Homme s’est inspiré des animaux vivant dans un milieuaquatique, pour réussir à se déplacer dans l’eau, à travers l’étude de troiscas : Le Nautile, le Poisson et le Canard.  LE NAUTILELe nautile est unanimal marin ayant presque une centaine de tentacules. Il a une coquille enforme de spirale dont l’intérieur est fait de plusieurs parties appelées loges.

Le corps de l’animal est dans la première loge. Celles où l’animal ne se trouvepas contiennent un mélange de gaz et de liquide qui est déplacé d’une partie à l’autrepour lui permettre d’avancer.                                                                                                                                                                                             Lenautile Les hommes se sontinspirés de ce phénomène pour parvenir à se déplacer sous l’eau. En 1949 lecommandant J. Cousteau a mis au point « Denise », le premier véhicule sous-marin qui applique les pratiquesde navigation du nautile. « Denise »descend dans les profondeurs sous-marines grâce à un système de propulsion. Lenautile propulse un mélange gaz et liquide dans ses loges à l’aide d’un tubequi fonctionne comme un siphon.

L’eau est expulsée brutalement, ce qui lui permetde prendre de la vitesse mais aussi de plonger. Denise fonctionne presque de la même manière : le sous-marin estéquipé d’un système de tuyaux qui aspire l’eau à l’extérieur et la rejette souspression provocant ainsi un déplacement par réaction. Cette« soucoupe plongeante », comme on la surnomme, a été le premiersous-marin conçu pour l’exploration scientifique sous-marine. On peut doncaffirmer que l’étude du nautile a ainsi participé à la découverte des fondsmarins. Malgré son poids de 3.5T,« Denise » flotte du fait desa forme très aplatie (3m de diamètre et 1.46 m de hauteur) et saflottabilite positive et négative est possible par addition ou soustraction delest (réglage de la quantité d’eau contenue dans le caisson). Nous étudieronsce phénomène plus précisément dans la partie suivante axée sur le sous-marin avecl’expérience du ludion.

 LES POISSONSCertains poissonsont eux aussi une caractéristique, la vessienatatoire, qui a contribué à la construction des navires sous-marins. Cette vessie,double organe ressemblant à des sacs gonflés, est remplie de gaz (azote,oxygène et gaz carbonique) et l’animal peut faire varier la densité de ce gazpar rapport à celle de l’eau dans laquelle il vit. è Cettevariabilité lui permet de choisir à quelle profondeur il veut flotter. Lavessie natatoire est essentielle au contrôle de la flottabilité des poissons. Certains poissons varientla densité du gaz grâce à un canal qui permet autant d’aspirer de l’air que del’expirer, mais pour d’autres des procédés chimiques passent par des échanges sanguinsau niveau de la paroi de la vessie natatoire. è Ainsic’est grâce au volume de sa vessie que le poisson gère la profondeur à laquelleil se trouve.  On peut expliquer la logique de l’augmentation et dela diminution du volume de la vessie par rapport à la profondeur en utilisantla loi des gaz parfaits.

Sachant que le gaz contenu dans les vessies ne peutêtre considéré comme parfait, on peut extrapoler la loi des gaz parfaits, soit PV= nRT, en déduisant que le produit PV/T (P=pression, V=volume, T=température) estune constante. En considérant la température comme constante, on en déduit quela pression dans la vessie augmente lorsque son volume diminue et inversement. Ainsi –       lorsque le poisson plongela pression de l’eau augmente et donc le volume de sa vessie diminue. –       Quand le poisson remontesa densité moyenne diminue et sa flottabilité augmente. Par contre,d’autres poissons, comme le requin ou ceux des profondeurs, n’ont pas cettevessie natatoire. Ils doivent donc nager en continu pour ne pas couler.  Les poissons sontaussi des exemples pour les futurs sous-marins.

Ils ont tout au long de leurcorps des petits points. On les appelle les lignes latérales et ce sont depetits orifices qui peuvent communiquer avec des cellules sensorielles. Ellesrepèrent les variations de pression même si elles sont très faibles.  Le poisson peut, grâce à ces deux ligneslatérales, mesurer sa vitesse, s’équilibrer, ressentir un obstacle quis’approche et repérer des sources sonores.      Ces particularitésrécemment découvertes ont inspiré des électroniciens de l’université del’Illinois Urbana-Champaign. Depuis plusieurs années, des chercheurs cherchentà réaliser des capteurs sensoriels imitant ce que la nature a déjà créé. Ceslignes latérales pourraient s’appliquer aux sous-marins pour qu’ils soient beaucoupplus précis et mieux informés sur l’environnement extérieur.

 De plus, lespoissons ont une forme aérodynamique qui a inspiré certains chercheurs. Leurforme a évolué pour que les poissons soient de plus en plus rapides tout endépensant le moins d’énergie possible. Pour exemple, Mercedesa effectué des recherches pour développer une voiture qui consommerait moins touten roulant vite. Les ingénieurs se sont intéressés au poisson coffre ; unpoisson léger et très aérodynamique. Il peut nager très vite grâce à sa formecubique.

Grâce à ce poisson, les ingénieurs de Mercedes, ont conçu la voiturela plus aérodynamique de sa catégorie.      Comme pour lesingénieurs du secteur automobile, des chercheurs étudient comment rendre lesbateaux et les sous-marins plus rapides en s’inspirant des poissons.  LE CANARDIl existe différentscatégories de canards mais nous nous arrêterons uniquement aux  canards de surface et aux canards plongeurs. Les colvertsappartiennent à la famille des canards de surface. Ils se nourrissentessentiellement de graines, de racines de plantes aquatiques, de vers et demollusques. Ils sont omnivores. Les canards desurface ont les pattes situées vers le milieu de leur corps ce qui leur permet demarcher assez facilement sur terre.

Par contre, ils ont plus de mal à sedéplacer dans l’eau par rapport à d’autres familles de canards. Ils ne peuvent pasréellement plonger ; ils se contentent de se pencher en avant et de mettre leurtête sous l’eau. Avec leur bec, ils fouillent ainsi le fond peu profond pour ytrouver des mollusques ou des plantes.  Les canardsplongeurs, quant à eux, ont la caractéristique de véritablement plonger pour senourrir. Il est très rare de les voir sur terre car ils ont les pattes enarrière et ils ne peuvent pas se déplacer facilement en dehors de l’eau. Contrairementaux canards de surface qui volent bien et facilement, les canards plongeurs ontdu mal à voler et ils s’envolent comme les cygnes : ils courent à lasurface de l’eau. è Tousles canards ont la particularité deparfaitement bien flotter sur l’eau et ce, grâce principalement à leur morphologie.

La densité ducorps du canard est faible : –       Il contient de nombreux sacsremplis d’air qui alimentent les poumons, –       Son squelette est composéd’os creux et donc très légers, –       Le canard emprisonne del’air dans ses plumes. Si on se réfèreaux critères de flottabilite démontrés dans la partie précédente, le canard estdonc ainsi plus léger que le poids de l’eau correspondant a son volume. La Pousséed’Archimède est ainsi plus forte que le poids du canard : il flotte.

Ce rapportpoids/volume lui permet donc de flotter mais le canard possède également uneglande qui secrète une substance grasse avec laquelle le canard enduit sonplumage, le rendant ainsi lisse et imperméable. Expérience :La clémentine a la particularité d’avoir unepeau imperméable qui capture l’air. Matériel :-       Becher rempli d’eau-       Une clémentine      Lorsque nousmettons une clémentine non épluchée dans un bécher rempli d’eau, on s’aperçoitque la clémentine flotte. Même si nous la poussons sous l’eau, elle remonte systématiquementà la surface.

Lorsque nous lui enlevons sa peau, laclémentine coule. è On en déduit donc que l’enveloppeimperméable capture l’air, modifiant ainsi la densité de la clémentine et lafaisant flotter. Laclémentine flotte grâce à l’air est présent entre les fibres de la peau : cetair, plus léger que l’eau, diminue la densité globale de la clémentine. Lapoussée d’Archimède devient alors suffisante pour faire flotter le fruit.A l’inverse,la clémentine sans peau a une densité supérieure à l’eau et coule. La peau de la clémentinepeut clairement s’apparenter au plumage du canard qui emprisonne l’air, ouencore au principe de la bouée qui diminue la densité du baigneur et le faitflotter.L’architecturenavale s’est inspirée des canards.

La plupart des bateaux possèdent des flotteurs,remplis d’air, qui leur permettent de flotter en modifiant leur rapport  poids/volume au meme titre que les os descanards. Les coques desbateaux sont de plus recouvertes d’une couche de peinture imperméable qui amélioreleur flottaison.  III – Applications par les Hommes Lebateau  Lesous-marin      Bibliographie : « Quand la nature inspire la science », MatFournier« Encyclopedia Universalis »« Architecture navale », Diminique Paulet etDominique Presles Wikipédiainsectes.

orgtoutsurlisolation.comaskabiologist.asu.educaminteresse.frcnrs.frbiomimetis.mefutura-science.

comwiki.scienceamusante.net ac-grenoble.frlachimie.fr Pour faire un aparté… Courir sur l’eau a été le rêvede millions de personnes. Malheureusement cela est impossible car, comme expliqué précédemmentavec la Poussée d’Archimède, notre poids est largement supérieur au volume denotre corps qui touche la surface de l’eau et nous ne sommes également pasassez rapides.  Certaines personnes ont essayé de marcher sur unmélange semi-liquide composé d’eau et de poudre de maïs, considéré comme unfluide non-Newtonien.

                                                                                                           Mélange eau-maïzena Ce type de fluide devient pâteux sous pression. Enmélangeant de l’eau à de la poudre de maïs, on crée un mélange qui devient pluspâteux et pratiquement figé quand on l’agite. On appelle plus précisément cefluide : un fluide rhéoépaississant. Mais revenons à nos canards… Legerris :Les gerris sont des insectes de la mêmefamille que les punaises.

Contrairement à ces dernières, ils peuvent marchersur l’eau. Les gerris peuvent se déplacer sur l’eaugrâce à la tension superficielle de l’eau. La tension superficielle est due auxmolécules d’un fluide, plus précisément aux interactions entre elles. Cettetension a la particularité de repousser les pattes du gerris qui sonthydrofuges grâce à leurs poils.                                                                                                Un gerris  Parcontre, lorsque la température de l’eau augmente, la tension superficiellediminue.

Donc un gerris ne pourrait pas flotter dans une mare dont l’eau a unetempérature trop élevée. Mais La température n’est pas le seul danger dugerris. Certains polluants diminuent la tension superficielle.

Et s’ilsdiminuent la tension de l’eau, le gerris ne sera plus propulsé et donc ilmarchera sur l’eau en pénétrant sa surface. C’est d’ailleurs pour cela que legerris est considéré comme un bioindicateur pour savoir si une eau est polluée.De plus, la dépression topographique (creux formé sur la surface de l’eau aucontact des extrémités des pattes du gerris) permet à l’animal, grâce à latension superficielle, d’être en quelque sorte propulsé. Cela est possiblegrâce au poids très faible du gerris. Comme un bateau, le gerris a un gouvernailet une propulsion.

Ces six pattes y contribuent. Ses pattes arrière sont songouvernail et ses pattes centrales permettent la propulsion. Les deux autrespattes du gerris n’ont rien à voir avec le fait qu’il peut se déplacer surl’eau car elles lui permettent seulement de chasser.

Les gerris ne sont pas les seuls animaux àmarcher sur l’eau. Certains lézards peuvent se déplacer sur l’eau mais pas dela même manière. Les lézards qui courent sur la surface de l’eau courent trèsvite avec de grandes pattes. En s’inspirant du gerris, des ingénieursont eu l’idée d’inventer un robot qui peut se déplacer sur l’eau de la même manièreque cet insecte. Il se nomme Robostrideret il a été réalisé par le MIT (MassachusettsInstitute of Technlogy). Il peut sauter à 14 cm de haut, il est donc agile.Ce robot optimise la miniaturisation, et cela a pu être réalisé par lebiomimétisme.

                                                                                                      Robostrider Il est important deremarquer que la poussée d’Archimède varie en fonction de la densité de l’eau.L’eau douce est moins dense que l’eau de mer qui est riche en éléments minérauxcomme le sel. Un bateau ne pourra pas être aussi chargé dans l’eau douce quedans l’eau salée, car il faut déplacer plus d’eau douce pour obtenir la mêmepoussée d’Archimède.

En eau douce, un navire sera donc plus immergé à poidségal. Voilà pourquoi des règles internationales imposent aux bateaux d’avoirdes niveaux de flottaison clairement indiqués sur les côtés du bateau./isource : www.espace-sciences.org