Principe d'Archimède, Tension Superficielle et Capillarité

Principe d'Archimède

Archimède (287-212 av. J.-C.) a établi des résultats fondamentaux, dont le principe de la flottabilité des corps, connu aujourd'hui sous le nom de principe d'Archimède. Ce principe stipule qu'un corps, partiellement ou totalement immergé dans un fluide, subit une force ascendante appelée poussée d'Archimède, dont le module est égal au poids du fluide déplacé.

Il est important de ne pas confondre le poids du fluide déplacé avec le poids de l'objet immergé.

Le principe d'Archimède s'applique aux fluides en général. Par exemple, un ballon à air chaud monte lorsque son poids est inférieur au poids de l'air qu'il déplace dans l'atmosphère.

Pourquoi un objet coule-t-il ou flotte-t-il ?

La flottabilité d'un objet dépend de la relation entre sa densité et celle du fluide :

• L'objet est plus dense que le fluide : il coule au fond car son poids est supérieur à la poussée d'Archimède.
• L'objet a la même densité que le fluide : il est en équilibre, mais peut se situer à n'importe quelle profondeur.
• L'objet est moins dense que le fluide : il flotte partiellement submergé, car son poids est inférieur au poids du fluide déplacé.

L'objet flottant déplace un volume de liquide égal à une fraction de son volume total, permettant d'équilibrer son poids avec la poussée.

Note : Un dynamomètre permet de mesurer le poids réel d'un objet, puis son poids apparent lorsqu'il est immergé. La différence entre les deux mesures correspond à la poussée d'Archimède.

Tension superficielle

La tension superficielle est la propriété qui pousse la surface d'un liquide à se contracter, se comportant comme une membrane élastique. Cela explique la forme sphérique des gouttelettes, car la sphère est la forme géométrique qui minimise la surface pour un volume donné.

Techniquement, c'est une force par unité de longueur ou un travail par unité de surface. À l'échelle moléculaire, cette force est d'origine électromagnétique et est appelée force de cohésion. À la surface, les molécules subissent des forces verticales déséquilibrées, ce qui crée cette tension.

Pour mesurer la tension superficielle, on utilise souvent la méthode de l'anneau de Du Noüy, qui consiste à appliquer une force vers le haut sur un anneau métallique. La tension superficielle s'exprime en N/m.

L'action capillaire

Lorsqu'on immerge l'extrémité d'un tube de verre de faible diamètre dans l'eau, celle-ci grimpe spontanément. Ce phénomène est appelé capillarité.

L'action capillaire résulte de deux forces :

• Cohésion : attraction entre molécules de même substance.
• Adhésion : attraction entre molécules de substances différentes.

Si la force d'adhésion est supérieure à la force de cohésion, le liquide mouille la paroi et monte dans le tube. L'angle de contact permet de quantifier ce phénomène : s'il est inférieur à 90°, le liquide mouille le solide ; s'il est supérieur, il ne le mouille pas.

La capillarité dans la nature et la technologie

La capillarité est un phénomène fondamental :

• Plantes : Elle aide à la montée de la sève brute dans le xylème, complétée par l'évaporation au niveau des feuilles.
• Corps humain : Elle intervient dans la circulation sanguine au sein des capillaires.
• Applications technologiques : Éponges, papier absorbant, stylos, ou encore l'humidité remontant dans les murs des bâtiments.