Si vous avez déjà vu une voiture ou une moto tomber dans une rivière ou à la mer, vous l’avez sans doute vu couler à pic en quelques secondes. De même, un corps humain flotte souvent difficilement, surtout les jambes et les bras. Alors, comment expliquer qu’un bateau de plusieurs tonnes ne coule pas ? Avec la poussée d’Archimède, le concept de densité et la science.

Qu’est-ce que la densité d’un objet ?

Pour comprendre pourquoi un bateau flotte et une voiture coule, pour comprendre pourquoi n’importe quel objet flotte ou coule, il faut d’abord prendre le temps de comprendre la notion de densité des objets. Pour cela, il faut commencer par comprendre les concepts de poids et de volume, alors il faut se tourner du côté d’Archimède.

Archimède de Syracuse était un philosophe grec qui vécut toute sa vie en Sicile. Il a beaucoup étudié le comportement des fluides et notamment de l’eau. Ses premières observations portaient sur le niveau de l’eau de son bain. Il avait remarqué que celui-ci augmentait systématiquement quand il se plongeait dedans. Il en a rapidement déduit que le volume d’un objet plongé dans l’eau déplaçait le même volume d’eau.

Ainsi, Archimède théorisa le concept de volume des objets et il ne tarda pas à le relier au concept du poids d’un objet. Ainsi, il inventa le concept de densité, un concept directement issu du rapport entre poids et volume. Plus un objet est petit et lourd, plus il est dense. Or, la densité était également la clé de voûte d’une autre théorie, la fameuse poussée d’Archimède.

La poussée d’Archimède, qu’est-ce que c’est ?

« Tout corps plongé dans un fluide au repos, entièrement mouillé par celui-ci ou traversant sa surface libre, subit une force verticale, dirigée de bas en haut et opposée au poids du volume de fluide déplacé ; cette force est appelée poussée d’Archimède. » Les plus scientifiques d’entre vous auront reconnu leurs cours de physique. Pour les autres, voici quelques explications.

La poussée d’Archimède est une théorie scientifique vérifiée qui permet de mesurer la flottabilité d’un corps. Tout le calcul repose sur le poids et le volume de l’objet, donc sur sa densité. C’est cette théorie qui est à l’origine de tous les calculs que les ingénieurs font pour s’assurer qu’un navire pourra flotter.

En fait, un corps plongé dans l’eau déplace un volume équivalent d’eau, ce qui provoque une poussée qui repousse l’objet vers le haut. Or, cette poussée est limitée par le poids de l’eau compris dans un tel volume, c’est-à-dire sa densité. La poussée d’Archimède nous apprend donc que seuls les objets moins denses que l’eau pourront flotter.

Pourquoi les bateaux flottent-ils ?

Pour faire flotter un bateau, il suffit donc de s’assurer que sa densité est inférieure à la densité de l’eau. Or, quelle est la densité de l’eau ? Un litre d’eau classique est généralement équivalent à 1 kilogramme. C’est donc la densité communément admise pour l’eau, même si certaines eaux très salées seront plus denses. Tous les objets qui pèseront plus d’un kilo si vous en remplissez une bouteille d’un litre couleront.

D’accord, mais cela ne nous explique toujours pas pourquoi une voiture, pourtant faite du même métal qu’un bateau, coule. Tout simplement parce que le volume total du bateau est beaucoup plus important, ce qui lui permet de contenir beaucoup plus d’air. Résultat, sa densité est largement diminuée et son poids au mètre cube d’espace qu’il occupe est beaucoup moins important. Ainsi, le bateau peut flotter, même quand il pèse des milliers de tonnes.

Pour expliquer ce phénomène, on peut également utiliser l’exemple de la bouteille en verre. Quand elle est remplie d’air, son volume est plus important et elle flotte (d’autant mieux que la densité de l’air est très faible). Cependant, dès que vous chassez l’air de la bouteille, la densité des parois en verre seules est plus importante que celle de l’eau et la bouteille coule à pic.

Peut-on voler en étant moins dense que l’air ?

Il arrive parfois que l’explication de la poussée d’Archimède et du concept de densité mène à une question assez étrange : toutes ces règles nous permettent-elles d’espérer voler si on est moins dense que l’air ? La question est tout à fait légitime puisque la poussée d’Archimède est également valable à l’air libre.

Cependant, peu de choses sont moins denses que l’air. C’est tout de même le cas de l’hélium et c’est ce qui explique que les ballons qui en contiennent volent. D’ailleurs, à part les gaz, il n’y a rien qui soit suffisamment peu dense pour espérer s’envoler sans effort.

Enfin, il ne faut pas faire l’erreur classique de croire que la poussée d’Archimède s’applique sur les corps même trop denses et ralentirait leur chute. Ce n’est pas le cas et tous les corps plus denses que l’air sont attirés par la force de gravité de manière égale. C’est pour cela que tous les corps chutent à la même vitesse, peu importe leur densité ou leur poids. Si une plume tombe lentement, c’est simplement à cause des frottements de l’air.