Le bouchon qui flotte

On peut voir un bouchon flotter à la surface de l’eau ou rester immergé en équilibre à mi-hauteur si on l’accroche à une chaîne. 

Pour aller plus loin, relancer la même vidéo suivante enrichie de commentaires et de quiz:

 

Pour vous aider dans la réalisation de l’expérience et son interprétation, consulter la fiche d’accompagnement suivante.

Fiche d’accompagnement de l’expérience:

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On peut voir un bouchon flotter à la surface de l’eau ou rester immergé en équilibre à mi-hauteur si on l’accroche à une chaîne.

Matériel
  • un bouchon de liège ;
  • une petite chaîne métallique, par exemple un collier ou bien des trombones de bureau accrochés les uns aux autres ;
  • un récipient de verre assez profond ;
  • un petit morceau de fil de fer ou un trombone de bureau ;
  • éventuellement du gros sel ;
  • éventuellement un ballon gonflé avec un gaz plus léger que l’air.

Montage et réalisation

Accrocher une chaînette métallique à un bouchon au moyen d’un petit morceau de fil de fer ou d’un trombone de bureau (voir la figure 1). Placer le bouchon muni de la chaîne dans le fond d’un récipient de verre profond. Verser de l’eau dans le récipient. Au début le bouchon flotte à la surface de l’eau. Lorsqu’on ajoute de l’eau, le bouchon reste encore à la surface mais sa partie immergée augmente. Lorsque la quantité d’eau ajoutée est suffisante, le bouchon est complètement immergé et il reste en équilibre dans l’eau à une hauteur qui ne varie plus, même lorsque le niveau de l’eau continue à augmenter (voir la figure ci-dessus). Si le bouchon n’est pas complètement immergé alors que le récipient est plein, il faut modifier le dispositif en prenant une chaîne plus lourde ou un bouchon plus petit.

Explications

L’ensemble (bouchon + chaîne) placé dans l’eau est soumis à une poussée d’Archimède de valeur égale à celle du poids de l’eau déplacée.

Au début de l’expérience, le niveau de l’eau monte et le bouchon reste à la surface : la longueur de chaîne suspendue augmente et donc le poids du système (bouchon + chaîne suspendue) augmente. Les maillons qui reposent sur le fond ne font pas partie du système puisqu’ils ne tirent pas sur la chaîne. Pour maintenir l’équilibre du système alors que son poids augmente, il faut augmenter la valeur de la poussée d’Archimède, c’est-à-dire augmenter le volume d’eau déplacée, donc le volume de bouchon immergé.

Lorsque la quantité d’eau ajoutée est suffisante, le bouchon est complètement immergé et il reste en équilibre dans l’eau à une hauteur qui ne varie plus, même lorsque le niveau de l’eau continue à augmenter. On pourrait penser que le volume du bouchon diminue légèrement sous l’effet de la pression de l’eau qui augmente lorsque la hauteur d’eau augmente au-dessus du bouchon immergé. Ceci aurait pour effet de diminuer légèrement la valeur de la poussée d’Archimède donc de diminuer légèrement la hauteur du bouchon dans le récipient. En réalité, ce phénomène n’est pas visible.

 
Remarques

Ce dispositif permet également de montrer que la poussée d’Archimède exercée par un liquide dépend de sa masse volumique. Remplir le récipient complètement avec de l’eau et repérer la hauteur à laquelle le bouchon totalement immergé reste en équilibre. Ajouter du sel dans l’eau : le bouchon s’élève un peu dans le liquide. Plus la quantité de sel ajouté est grande, plus le bouchon s’élève dans le liquide. L’ajout de sel entraînant une augmentation de la densité du liquide, donc une augmentation de la valeur de la poussée d’Archimède, la nouvelle poussée d’Archimède compense un poids plus grand, donc une plus grande longueur de chaîne suspendue. Voir à ce propos l’expérience « Un ballon qui monte à la demande ».

On peut utiliser le même dispositif pour montrer la poussée d’Archimède exercée par l’air. Gonfler un ballon avec un gaz plus léger que l’air. Attacher une chaîne ou une corde à ce ballon. Le ballon se stabilise à une hauteur telle que la poussée d’Archimède qu’il subit compense le poids du ballon et de la partie de la corde qui ne repose pas sur le sol.

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