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

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Sommaire

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

1. La poussée d’Archimède
2. Le mouvement relatif du sous-marin

II/ Les forces naturelles en tant que contraintes

1. La trainée
2. Le tangage et le roulis
3. La pression

III/ Synthèse des forces en présence

Introduction

Avant toute chose, nous tenons vivement à remercier la Direction de l’école APEAF Antsahabe, ainsi que tous les professeurs, les responsables des laboratoires, les responsables chargés de corriger et de critiquer notre production afin de le rendre meilleur, mais également les parents et les élèves pour leur coopération et leur soutien pour nous dans le cadre de notre Travail Personnel Encadré, travail laborieux que nous sommes fiers de vous présenter dans ce livre après des mois de travail et de recherche.

Nous sommes tous les trois des passionnés des machines sophistiquées, preuves de véritables prouesses techniques réalisées par l’Homme tel que les avions ou les hélicoptères, les sous-marins n’étant pas d’exception. Ces derniers, parcourant mers et océans, suscitent l’admiration chez les petits comme chez les grands, mais cachant en leur sein un mystère aux yeux de la plupart des gens : les moyens dont ils usent pour se déplacer à leur gré sous l’eau. Nous avons alors décidé d’explorer ce mystère qui se dresse devant nous.

Ainsi, dans le thème « Matière et Forme », nous avons choisi comme sous thème « Mouvement de la matière et forme », englobant notre sujet, le « Sous-marin ». Pour nous diriger, nous avons choisi comme problématique :

Dans quelle mesure peut-on considérer la nature en tant qu’atout et contrainte dans le mouvement du sous-marin ?

Pour ce faire, nous examinerons en premier lieu les atouts liés aux forces naturelles pour faire avancer le sous-marin avant de voir les contraintes que celles-ci exercent, pour aboutir à une synthèse des forces.

Les forces naturelles en tant qu’atouts

1. LA POUSSÉE D’ARCHIMÈDE

• Loi d’Archimède

« 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 »

La poussée d’Archimède (notée ) est donc une force qui repousse tout corps plongé dans un fluide vers le haut. Elle se calcule par la formule suivante : [pic 2][pic 3]

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• Application au sous-marin

D’après cette définition, pour que notre sous-marin puisse flotter à son gré, il devra respecter une  condition suffisante de flottabilité : sa flottabilité devra être positive, c'est-à-dire que sa densité par rapport au fluide doit être strictement inférieure à l’unité.

Pour couler, la flottabilité doit être négative, c’est-à-dire que la densité est supérieure à l’unité. Autrement dit sa masse volumique devra être strictement supérieure à celle du fluide (ici, l’eau) soit , m étant la masse du sous-marin et V son volume. Ceci entraine le sous-marin vers les profondeurs.[pic 7]

Expérience 1 : Test de flottabilité

Objectif : Vérifier les conditions de flottabilité

Matériels :

• 2 dynamomètres
• 2 Morceaux de bois de densités différentes
• 1 grand récipient
• De l’eau
• 1 balance électronique
• 1 pied à coulisse
• 1 éprouvette graduée

Précautions : Porter des blouses pour éviter de se faire mouiller par l’eau

Protocole :

Dès une première observation, nous remarquons que le premier morceau de bois flotte sur l’eau tandis que le second coule. Ce qui signifie donc que nous ne pouvons pas mesurer le volume de ce 1e morceau par déplacement d’eau. Alors nous avons utilisé un pied à coulisse, permettant plus de précision par rapport à une règle graduée, pour mesurer ses dimensions. Ensuite, le volume sera retrouvé par calcul, ce 1e morceau de bois étant un parallélépipède rectangle.

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Par contre, le volume du second morceau, quia coulé, peut être mesuré par déplacement d’eau. D’autant plus que ce solide n’a pas de forme géométrique simple. Voici donc le protocole suivi :

• Mesurer la masse de chaque morceau de bois avec la balance

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• Mesurer les dimensions du premier morceau avec le pied à coulisse

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• Remplir à moitié l’éprouvette graduée avec de l’eau

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• Plonger le second morceau dans cette éprouvette graduée

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• Calculer les volumes des deux morceaux de bois
• Calculer la densité de chaque morceau de bois

Résultats :

Les dimensions du 1e morceau de bois sont (en cm) 2.91 x 13.5 x 0.92

Pour le 2e morceau de bois, le volume d’eau initial est 200 mL, puis avec le morceau de bois, le volume final est 225mL.

La densité est calculée par  , or  donc la densité a la même valeur numérique que la masse volumique du liquide.[pic 16][pic 17]

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