Les forces naturelles en tant qu’atouts pour le sous-marin

...

Interprétation :

Cette expérience démontre bien que le 1e morceau de bois flotte car sa densité est inférieure à 1. Tandis que le second, étant avec une densité supérieure à l’unité va couler. Ceci confirme la théorie : une flottabilité positive correspond à une densité inférieure à l’unité ; et une flottabilité négative correspond à une densité supérieure à l’unité.

Mais le sous-marin en bois, va naturellement flotter sur l’eau, posant alors un autre problème : comment le faire couler. Pour y remédier, sous celui-ci se trouve un lest qui permet d’augmenter considérablement la masse sans trop perturber le volume : la densité du sous-marin tend vers l’unité.

Ensuite, pour pouvoir couler, le sous-marin possède des ballasts qui sont des réservoirs pouvant contenir de l’eau ou de l’air Dans ce cas-ci, les ballasts sont alors rempli d’eau afin d’augmenter légèrement la densité du sous-marin, et cette densité devient alors supérieure à l’unité : le sous-marin commencera à couler lentement.

Puis, pour de nouveau refaire surface, l’eau contenue dans les ballasts est rejetée hors des ballasts avant d’être remplacée par de l’air, qui va sensiblement diminuer la densité du sous-marin. Le sous-marin, ainsi allégé, remontera à la surface.

Mais le sous-marin devra aussi pouvoir rester stable à une profondeur h. Cela nécessite alors un réglage minutieux du volume d’air/d’eau contenu dans les ballasts, tels que la densité du sous-marin en entier soit égale à celle de l’eau, la rendant ainsi immobile à une profondeur h donnée.

Expérience 2 : Test des ballasts

Objectif : Mettre en évidence le rôle des ballasts

Matériels :

- 2 seringues de 50 mL

- 1 grand récipient rempli d’eau

Précautions : Mettre une blouse pour éviter de se faire mouiller

Protocole :

- Remplir la 1ere seringue d’’air et la seconde avec de l’eau

- Poser dans le récipient rempli d’eau

Résultats :

On observe que la seringue remplie d’air reste en surface, tandis que la seconde coule dans l’eau

Interprétation :

On peut comprendre de cette expérience, qu’une fois remplie d’eau, la densité du sous-marin devient supérieure à celle de l’eau. Ce qui explique que la seconde seringue coule ; tandis que la première flotte, puisque l’air, composant essentiellement celle-ci, a une densité très faible par rapport à l’eau.

-

Le mouvement relatif du sous-marin

- Le moteur à élastique

Le sous-marin, peut donc désormais couler ou flotter grâce à ses ballasts. Mais il doit également être capable d’avancer sous l’eau, sans quoi il ne serait pas d’une grande utilité : il lui faut donc un moteur qui va créer une poussée. En observant les vrais sous-marins, nous avons décidé d’utiliser également un moteur à hélice pour faire avancer notre sous-marin. Mais comme aucun moteur électrique ne fonctionne sous l’eau sans aménagements adéquats (étanchéité de la partie ou se trouve le moteur), à la place des modifications difficiles à réaliser, nous avons optés pour l’usage d’un moteur à élastique pour faire fonctionner l’hélice en question.

Le principe est simple : nous augmentons considérablement l’énergie potentielle de l’élastique rattaché à l’hélice en le tordant plusieurs fois.

Puis en lâchant cet élastique, l’énergie potentielle se transforme rapidement en énergie cinétique, qui fera alors tourner l’hélice sur un axe de rotation. L’énergie cinétique est donnée par la formule suivante : m.V²[pic 18]

[pic 19]

[pic 20]

- L’avancée du sous-marin

L’hélice utilisée pour le sous-marin doit avoir une forme aérodynamique pour que celle-ci puisse créer un mouvement sous l’eau. Ensuite, une fois l’hélice en mouvement grâce au moteur, son profil aérodynamique entraînera alors la masse d’eau qui se trouve devant le sous-marin vers l’arrière. Cela crée alors un mouvement relatif : Le sous-marin se déplace vers l’avant par rapport à l’eau qui l’entoure.

Les forces naturelles en tant que contraintes

-

La trainée

Comme le dit la 3e loi de Newton, à chaque action s’oppose une réaction de force égale et opposée. Il y a par conséquent une contrainte, qui est la trainée, qui s’oppose à l’avancement du sous-marin. Nous pouvons essentiellement distinguer deux types de traînées.

- La trainée de forme

Par définition, la trainée de forme est la résistance du fluide devant le corps en mouvement dans ce fluide. Pour le sous-marin la résistance que l’eau oppose à l’avancée du sous-marin dépend de la forme de la coque du sous-marin, chose que nous pouvons comprendre par l’expérience suivante.

Expérience 4 : Trainée de forme

Objectif : Comprendre la relation entre la trainée de forme et la forme de l’objet

Matériels :

- 2 morceaux de papier essuie tout de 2x5 cm

- 1 carton de 5x5x0.2 cm

- Un œuf

- 2 tiges en bois de 10 cm de longueur

- 1 sèche-cheveu

Protocole :

- Attacher chaque morceau de papier essuie tout au bout de chaque tige en bois

- Fixer le carton devant le premier bâton après avoir fixé ce dernier pour qu’il soit immobile

- Fixer l’œuf devant le second bâton après avoir également immobilisé ce dernier

-