Quand ils sont en bord de rivière, les enfants passent le temps en jetant toutes sortes de choses dans l’eau. Des branches, des pierres… De ces expériences de vie, ils observent tous la même chose : la branche flotte et le caillou coule. C’est systématique. Le caillou étant souvent plus lourd que la branche, il en survient une déduction : ce qui est léger flotte, et ce qui est lourd coule.
Mais cette vision biaisée est vite mise à mal lorsque les enfants observent les bateaux. Eux, ils sont lourds, et pourtant, ils flottent. Comment est-ce possible ?
Flottaison rime avec densité
Utilisée dans le langage marin, la flottaison d’un bateau est une question de densité. La densité, c’est le rapport de la masse sur le volume. Elle va dépendre principalement de deux paramètres.
D’abord, le nombre d’atomes par volume. Plus il y a d’atomes dans un volume, plus le volume va peser lourd. Prenons comme exemple le charbon et le diamant. Ces deux matériaux sont exclusivement composés d’atomes de carbone. Mais l’agencement de ces atomes de carbone, leur organisation, fait toute la différence. À volume égal, le charbon possède deux fois moins d’atomes que le diamant. Il sera donc deux fois plus léger.
© Structure, Bonding, and Mineralogy of Carbon at Extreme Conditions – Scientific Figure on ResearchGate
Mise à part l’organisation des atomes, il faut aussi prendre en compte leur masse, qui dépendra directement de l’élément chimique. Par exemple, à volume égal, un lingot d’argent pèse deux fois moins qu’un lingot d’or.
En quoi cette densité est importante pour la flottaison ?
La poussée d’Archimède
La réponse à cette question nous a été apportée environ 250 ans avant notre ère. Le tyran de Syracuse, Hiéron, avait fait confectionner une couronne en or massif à son orfèvre. Une fois la couronne en main, le tyran commença à douter de l’artisan. N’aurait-il pas remplacé une partie de l’or par de l’argent, un métal bien moins cher ? Hiéron demanda alors à Archimède, inventeur de génie, de vérifier si la couronne était effectivement composée d’or pur. Mais le problème semblait insoluble. Quand l’or et l’argent sont amalgamés, il est impossible, par la simple apparence, de distinguer l’or pur de l’or amalgamé à l’argent. Il fallait donc trouver une autre solution. Un jour qu’il profitait d’un bain, il observa que l’eau dudit bain monta en même temps que lui-même s’immergeait. Il sortit alors de son bain et cria, nu, dans les rues de Syracuse « Eurêka », ce qui signifie, « J’ai trouvé » ! Il immergea un lingot d’or pur de même masse que la couronne et nota le volume d’eau déplacé. Il fit de même avec un lingot d’argent de même masse. Puis, en immergeant la couronne, il se rendit compte que le volume d’eau déplacé était compris entre ceux des deux lingots. La couronne était donc constituée du mélange des deux métaux. Nous ne savons pas vraiment ce qu’il est advenu de l’orfèvre, cependant…
Cette histoire serait une légende. Du moins, à ce jour aucun écrit n’a été trouvé retranscrivant cette histoire. Il s’agit probablement d’une rumeur qui se serait transmise des siècles durant et qui a ancré Archimède dans l’Histoire.
©Ph. Coll. Archives Larbor
Quoi qu’il en soit, quand les physiciens se sont penchés sur le sujet au XVIIe siècle, ils ont renommé cette force : la poussée d’Archimède.
Quand un objet est immergé dans un fluide (un gaz ou un liquide), il va déplacer un certain volume de ce fluide. Volume qui dépendra de la densité de l’objet et du fluide.
Définition de la flottabilité
L’objet plongé dans le fluide subit une force particulière, appelée flottabilité. Plus le fluide repousse l’objet, plus la flottabilité est grande. Autrement dit, plus la densité du fluide est grande, et celle de l’objet petite, plus la flottabilité est grande. Ou, dans le cas des bateaux : plus la densité du bateau est faible, plus la flottabilité est grande. Et, pour qu’un bateau flotte, qu’il ne s’enfonce pas trop, il faut une densité plus faible que celle de l’eau.
“Oui, mais alors, comment un bateau en acier peut-il flotter ? Après tout, l’acier, c’est extrêmement dense !”
Effectivement, l’acier a une densité environ 8 fois supérieure à celle de l’eau. Mais le bateau n’est pas constitué que d’acier. Il est, en grande majorité composé d’air ! C’est là que la forme de la coque entre en jeu ! Prenons comme exemple le plus grand bateau cargo du monde : le Ever Ace. De 400m de long, 62 de large et presque 30 de haut, il peut transporter jusqu’à 225000 tonnes. Cela parait démentiel. Mais quand on fait le rapport de cette charge sur le volume total du bateau, on arrive à une densité d’environ 0,3. Autrement dit, quand ce bateau gigantesque est chargé, sa densité est trois fois plus faible que celle de l’eau !
La flottabilité dépend donc entièrement de la coque du navire, principalement sa forme et son matériau de construction. Aujourd’hui, la coque de la plupart des navires est en résine polymère infusée. Cette résine permet non seulement de garantir à la coque une grande étanchéité, mais aussi d’y injecter de l’air, ce qui diminuera d’autant plus l’étanchéité des embarcations.
