La poussée d'Archimède | cours + exercice corrigé | physique-chimie spé de lycée

Les génies des sciences
7 Dec 202007:17

Summary

TLDRThe video script discusses the principle of Archimedes' buoyancy force, providing a clear example of its application in real-world scenarios. It explains how the pressure exerted by a fluid on an object submerged in it varies depending on the depth and volume of the fluid above the object. The script emphasizes the importance of calculating both the buoyant force and the weight of an object to determine its behavior in a fluid, such as whether it will float or sink. Using the formula for buoyant force, which involves the density of the fluid, the volume of the object, and the acceleration due to gravity, the video demonstrates how to calculate the force exerted by air on a balloon. It also calculates the balloon's weight to compare with the buoyant force and concludes that if the buoyant force is greater than the weight, the balloon will rise. The video concludes by encouraging viewers to apply these principles to understand why a weather balloon ascends and by offering further educational resources.

Takeaways

  • 😀 Understanding Archimedes' principle: The script explains the concept of buoyancy and Archimedes' principle, which states that an object submerged in a fluid experiences an upward force equal to the weight of the fluid it displaces.
  • 📊 Pressure distribution in fluids: It describes how pressure in a fluid is not uniformly distributed, with greater pressure at greater depths. This knowledge is crucial for understanding buoyant forces in different scenarios.
  • ⚖️ Comparison of forces: The script emphasizes the comparison between the weight of an object and the buoyant force exerted by the fluid. This comparison determines whether the object sinks, floats, or rises.
  • 🎈 Application to real-world scenarios: It discusses practical applications of Archimedes' principle, such as in weather balloons, to measure atmospheric conditions.
  • 🧪 Formulas for calculation: Various formulas are introduced for calculating buoyant force and weight, highlighting the importance of understanding and applying these equations correctly.
  • 📝 Importance of data accuracy: The script emphasizes the significance of using accurate data, such as fluid density and volume, in calculations to obtain reliable results.
  • 🔍 Data interpretation: It provides guidance on interpreting data from problem statements and extracting relevant information for calculations.
  • 🚀 Factors influencing buoyancy: Factors such as fluid density, object volume, and gravitational intensity are discussed as key determinants of buoyant force.
  • 📚 Need for conceptual clarity: Conceptual understanding of buoyancy and related principles is crucial for solving problems accurately, as demonstrated in the script's examples.
  • 💡 Educational resources: The script encourages using educational platforms for additional learning and support in scientific subjects like physics, chemistry, and mathematics.

Q & A

  • What is the principle of Archimedes' buoyancy?

    -The principle of Archimedes' buoyancy states that an object submerged in a fluid experiences an upward force called buoyancy, which is equal to the weight of the fluid displaced by the object.

  • How is the pressure exerted by a fluid on an object distributed?

    -The pressure exerted by a fluid on an object is not distributed uniformly. It increases with depth, meaning that the pressure is greater at the bottom of the object than at the top due to the increased column of fluid above it.

  • Why do objects submerged in a fluid experience a force directed upwards?

    -Objects submerged in a fluid experience an upward force due to the greater pressure exerted on the bottom surface of the object compared to the top, resulting in a net upward force known as buoyancy.

  • What is the formula for calculating the buoyant force exerted by a fluid on an object?

    -The formula for calculating the buoyant force is: Buoyant Force = (Mass density of the fluid) x (Volume of the object) x (Acceleration due to gravity).

  • Why is it important to consider the mass density of the fluid outside the object when calculating buoyant force?

    -The mass density of the fluid outside the object is used because the buoyant force is a result of the pressure exerted by the fluid on the object's surface, which is determined by the fluid surrounding the object.

  • How does the weight of an object compare to the buoyant force when determining if the object will float or sink?

    -If the buoyant force is greater than the weight of the object, the object will float. If the weight is greater, the object will sink. The object will remain neutrally buoyant if the buoyant force equals the weight.

  • What is the formula for calculating the weight of an object?

    -The formula for calculating the weight of an object is: Weight = Mass x Acceleration due to gravity.

  • Why is it crucial to maintain the correct number of significant figures in physics and chemistry calculations?

    -Maintaining the correct number of significant figures ensures the precision and accuracy of the calculation, reflecting the level of certainty in the measured or calculated values.

  • What is the role of buoyant force in the operation of weather balloons?

    -The buoyant force allows weather balloons to rise in the atmosphere. If the buoyant force is greater than the weight of the balloon, it will ascend and be used for various meteorological measurements.

  • How does the depth of an object in a fluid affect the pressure it experiences?

    -The deeper an object is submerged in a fluid, the greater the pressure it experiences due to the increased column of fluid above it, which results in a greater buoyant force.

  • Why is the buoyant force often negligible in the case of a car compared to its weight?

    -For common objects like cars, the weight of the object is usually much greater than the buoyant force it experiences in air or water, making the buoyant force negligible in most practical scenarios.

  • What should one do when faced with a calculation involving both the buoyant force and the weight of an object?

    -One should calculate the value of both forces using the appropriate formulas and then compare them to determine the net force acting on the object and predict its behavior (whether it will float, sink, or remain neutrally buoyant).

Outlines

00:00

🧠 Understanding Archimedes' Principle

This paragraph explains the principle of Archimedes' buoyancy force. It begins by describing how a fluid exerts pressure on an object, with more pressure at greater depths. It emphasizes that objects submerged in a fluid always experience an upward force, known as buoyancy. The paragraph illustrates this concept using examples of objects in water and air, highlighting the importance of considering buoyancy in various scenarios, such as with hot air balloons.

05:02

🎈 Calculating Archimedes' Buoyant Force

In this section, the process of calculating the buoyant force acting on an object is detailed. It introduces the formula for Archimedes' principle, which involves parameters such as fluid density, volume of the object, and gravitational acceleration. The paragraph emphasizes the importance of using the correct fluid density, typically the density of the surrounding fluid. It then provides a step-by-step calculation example, ensuring precision by maintaining the appropriate number of significant figures.

Mindmap

Keywords

💡Buoyancy

Buoyancy is the upward force exerted by a fluid that opposes the weight of an object immersed in it. In the video, buoyancy is the central theme, as it explains how it allows objects to float or sink in a fluid. The script uses the example of an object in water to illustrate how the pressure exerted by the fluid increases with depth, resulting in buoyant force.

💡Archimedes' Principle

Archimedes' Principle states that the upward buoyant force that is exerted on a body immersed in a fluid is equal to the weight of the fluid that the body displaces. It is a fundamental concept in the video, used to calculate the buoyant force acting on a balloon and determine if it will rise or not. The script explains this principle with the help of a balloon in air.

💡Fluid Pressure

Fluid pressure is the force exerted by a fluid on an object submerged in it. The video discusses how fluid pressure varies with depth, with greater pressure at deeper levels due to the increased column of fluid above the object. This is illustrated with the example of an object in a swimming pool, where the pressure at the bottom is greater than at the top.

💡Helium Balloon

A helium balloon is used in the video as an example to demonstrate the application of Archimedes' Principle. The video explains how a helium balloon rises due to the buoyant force being greater than the weight of the balloon. The helium balloon is used for weather observations and is filled with a lighter-than-air gas, helium, which allows it to float.

💡Force Balance

The concept of force balance is mentioned in the context of determining whether an object will rise or sink. The video explains that when only the weight and the buoyant force act on an object, the outcome (rising or sinking) depends on the balance between these two forces. If the buoyant force is greater, the object will rise, as illustrated with the helium balloon example.

💡Mass Density

Mass density, defined as mass per unit volume (kg/m³), is used in the formula to calculate the buoyant force. The video emphasizes the importance of using the mass density of the fluid outside the object, not inside, to calculate the buoyant force. This is a crucial detail when applying Archimedes' Principle to find the buoyant force on the balloon.

💡Volume

Volume is a measure of the space occupied by an object, typically expressed in cubic meters (m³). In the context of the video, the volume of the balloon is a key factor in calculating the buoyant force acting on it. The greater the volume of fluid displaced by the balloon, the greater the buoyant force.

💡Gravity

Gravity is the force that attracts a body towards the center of the Earth, or towards any other physical body having mass. The video uses the standard gravity value on Earth, approximately 9.81 m/s², in the formula to calculate the weight of the balloon and the buoyant force. It's a constant factor in the equations that determine the behavior of objects in a gravitational field.

💡Weight

Weight is the force exerted on an object due to gravity. It is calculated as the product of mass and the acceleration due to gravity. In the video, the weight of the helium balloon is calculated to compare it with the buoyant force. If the weight is less than the buoyant force, the balloon will rise, which is a direct application of the force balance concept.

💡Significant Figures

Significant figures are the digits in a number that carry meaning contributing to its precision. The video emphasizes the importance of retaining the correct number of significant figures when performing calculations in physics and chemistry. This ensures the accuracy and reliability of the results, as seen when calculating the buoyant force on the balloon.

💡Helium

Helium is a lighter-than-air gas used to fill balloons, allowing them to rise and float. The video mentions helium as the gas inside the weather balloon, which is crucial for its ability to ascend. The script points out that the mass density of the helium inside the balloon is not used in the calculation of buoyancy, but rather the mass density of the surrounding air.

Highlights

The principle of Archimedes' buoyancy is reviewed through an example.

An object in a fluid experiences pressure exerted by the fluid, represented by black arrows.

Pressure is not uniformly distributed; it increases with the height of the fluid column above the object.

The pressure is greater at the bottom of the object due to the increased weight of the fluid above it.

Archimedes' principle states that an object in a fluid always experiences an upward force.

In air, buoyancy can often be neglected except in specific cases like hot air balloons.

For common objects like cars, the weight usually outweighs the buoyant force.

Balloons used for weather measurements, like weather balloons, utilize Archimedes' principle to ascend.

Force balance is considered, including weight and buoyancy, to determine if an object will rise or not.

Buoyant force is calculated using the formula involving the fluid's density, object's volume, and gravity.

It's crucial to use the density of the fluid outside the object, not inside, for buoyancy calculations.

The weight of the balloon is calculated to compare with the buoyant force and determine if it can ascend.

The balloon ascends if the buoyant force is greater than the weight acting on it.

The video provides a step-by-step calculation of the buoyant force and weight on a weather balloon.

The importance of retaining significant figures in physics and chemistry calculations is emphasized.

The video concludes by explaining why the weather balloon can rise based on the calculated forces.

The video also cautions against common pitfalls, such as using the wrong fluid density in calculations.

The content is aimed at students who need help with scientific subjects like physics and chemistry.

The video ends with an encouragement to like the video and subscribe for more educational content.

Transcripts

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dans cette vidéo nous allons revoir

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ensemble le principe de la poussée

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d'archimède et à travers un exemple

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corriger je te propose de voir comment

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l'appliquer de manière très concrète

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lors d'un exercice ou lors d'un contrôle

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pour plus jamais te tromper alors

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commençons tout d'abord par revoir

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ensemble ce que c'est que la poussée

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d'archimède en disposant un objet dans

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un fluide

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le fluide il va exercer une pression sur

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notre objet donc ici la pression va être

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symbolisé par des flèches noires

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la pression va s'exercer sur toute la

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surface de l'objet mais elle ne va pas

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être répartis uniformément plus la

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colonne de fluides à l'extérieur de

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l'objet va être importante plus la

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pression va augmenter donc c'est à dire

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que plus tu vas avoir de fluides au

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dessus de tout objet plus la pression va

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être grande tu imagines que si ton objet

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il fait un mètre de haut en bas de son

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objet tu as plus de fluides qui peut

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exercer une pression dessus imagine que

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tu poses d'un objet dans la piscine les

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piscines de 1 mètre de profondeur

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tu imagines bien que quand tu es en haut

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de l'objet tué à la limite de la piscine

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donc tu n'as pas d'autre qui exercent de

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pression dessus pointu et tout en bas tu

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as un mètre d'eau au dessus qui exercent

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une pression la pression est plus grande

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c'est pour ça que les flèches noires

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sont plus grandes en bas de l'objet qui

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ont donc les pressions sur le côté elle

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ce qu'on pense d'eux à deux donc c'est à

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dire que la pression de gauche va être

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parfaitement compensé avec la pression

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de droite c'est comme s'il n'y avait

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rien mais tu t'aperçois qu'il n'y a plus

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que deux choses il ya une pression qui

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s'exerce sur la face duo diriger vers le

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bas et une pression qui s'exerce sur la

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face du bar dirigés vers le haut en bas

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tu as une pression plus importante à

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cause du phénomène dont on parlait tout

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à l'heure

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donc pour cette raison tu n'as plus que

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une force

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en résultante qui est sûre exercée sur

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la face du bas est dirigée vers le haut

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son objet

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donc dans un fluide un objet a subi

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toujours une force dirigée vers le haut

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et ça c'est la poussée d'archimède

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quand tu es dans l'eau très souvent tu

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ne peux pas la négliger quand tu es dans

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l'air ça dépend des exercices quand tu

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as parlé de montgolfières de balmont

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sont ou ce genre de choses tu ne pourras

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pas la négliger

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si tu vas parler de choses plus

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courantes une voiture toi quand même un

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souvent la poussée d'archimède doit être

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négligé devant le poids même si elle

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existe toujours

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donc ce rappel est en fait on va pouvoir

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expliquer comment un ballon sonde un

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ballon-sonde notamment utilisé pour des

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relevés météo fait pour s'élever en

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premier dans ce genre d'exercice il

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conviendra toujours de lister les forces

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en jeu c'est le fameux bilan des forces

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contout demande pour un objet sur terre

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dans l'atmosphère ou dans l'eau il ya

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toujours au moins de force a indiqué le

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poids et la poussée d'archimède qu'elles

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soient négligés ou non devant le point

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le poids et la poussée d'archimède

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s'oppose le poids est dirigée vers le

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bas la poussée d'archimède et dirigé

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vers le haut il n'y a donc que deux

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issues possibles quand il n'y a que ces

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deux forces qui s'exercent sur un objet

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soit le poids il est trop important par

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rapport à la poussée d'archimède et dans

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ce cas là le pouce et archimède ne

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parvient pas à compenser le poids

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l'objet reste au sol c'est le cas d'une

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voiture mais on parlait tout à l'heure

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par exemple deuxième cas la poussée

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d'archimède est plus grande que le poids

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dans ce cas là la résultante de force

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elle est dirigée vers le haut et tout

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objet va s'envoler pour savoir dans

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lequel des deux cas tu te situes n'y a

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pas d'autre solution

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tu doit calculer la valeur des deux

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forces à partir des formules adéquates

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question numéro 2 on doit calculer la

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valeur de la poussée d'archimède exercée

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par l'air sur le ballon pour ça il faut

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connaître la formule que je te rappelle

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ici

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or cette formule elle peut faire un

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petit peu peur moi ya pas eu énormément

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de terme est un peu de lettres grecques

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la masse volumique du volume et de

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l'intensité de la pesanteur alors on va

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l'expliquer donc pu ici c'est le symbole

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qu'on utilise très couramment pour la

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poussée d'archimède qui est une force

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donc avec une unité en newton la masse

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volumique c'est en kg par mètre cube et

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on prend bien la masse volumique du

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fluide à l'extérieur de l'objet anna qui

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sied à l'extérieur du ballon et pas

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l'intérieur tu vois c'est très important

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le volume donc le volume de l'objet qui

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si en mètres cubes et l'intensité de la

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pesanteur

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quand on est sur terre 9,81 environ

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cette formule et les unités associés

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sont bien entendu à connaître par coeur

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ici dans notre énoncé il nous manque des

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choses les fameuses données

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les voici une fois que tu en es là pour

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pouvoir faire le calcul tu vas devoir

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aller à la pêche aux données dans

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l'énoncé donc ici on a les données

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nécessaires qui nous sont donnés ici en

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violet et on peut remplacer les valeurs

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données dans les lancers on n'obtient

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que la poussée d'archimède c'est égal à

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1,27 la masse volumique de l'air x 50 le

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volume du ballon sont fois la pesanteur

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9,80 on trouve 6 122,9 135 mille tonnes

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on n'oublie pas comme toujours en

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physique chimie pour avoir le maximum de

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points de conserver le bon nombre de

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chiffres significatifs donc ici toutes

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les données de l'énoncé en comporte

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trois donc nous on en conserve 3

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également on trouve une force de 623

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newton comme je le disais tout à l'heure

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mais j'insiste vraiment dessus car c'est

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très important de ne pas tomber dans ce

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genre de piège

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ici tu vois que dans l'énoncé on nous

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donne la masse volumique de l'hélium

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également c'est une donnée inutile ce

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genre de piège il sera courant on

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utilise la masse volumique du fluide en

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dehors de l'objet donc si tu plonges 1

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objet dans de l'eau tu utilises la masse

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volumique de l'eau si tu plonges un

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objet dans l'air dans l'atmosphère

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j'utilise la masse volumique de l'air tu

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ne prends pas la masse volumique du

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fluide qui est à l'intérieur de demandes

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ges n'a pas d'intérêt surtout ça serait

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très faux quand tu calcules la poussée

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d'archimède de faire ça

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troisième question on va calculer la

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valeur du poids du ballon pour pouvoir

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comparer le poids la poussée d'archimède

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et savoir si notre ballon va pouvoir

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monter ou non donc la formule du poids

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et est égale amg si tu n'es pas très à

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l'aise avec cette formule je t'invite à

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aller revoir la vidéo que je met tout de

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suite en rien l'objet de cette vidéo

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n'étant pas le calcul du poids je vais

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pas m'attarder énormément dessus

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cette formule est également à connaître

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par coeur bien entendu le poids c'est

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égal à la masse fois j'ai donc la masse

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du ballon c'est 30

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j'essaie toujours 9 81 et on trouve un

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poids de 294 hughton

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on peut enfin conclure donc à partir des

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résultats des questions une à trois on

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va pouvoir expliquer pourquoi le ballon

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s'élève donc ici sur notre ballon on n'a

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que deux forces qui s'exercent la

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poussée d'archimède diriger vers le haut

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et le poids diriger vers le bas la

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poussée d'archimède

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elle est plus grande que le poids

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puisqu'elle vaut un peu plus de 600

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mille tonnes alors que le poids ne vaut

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qu'un peu moins de 300 newton la poussée

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d'archimède à l'étang est en plus

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importante que le poids l'âge résultante

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des deux forces elle est dirigée vers le

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haut et le ballon s'élève la poussée

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d'archimède et en plus grande que le

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poids le ballon va pouvoir s'élever et

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c'est pour ça que ton ballon voilà bah

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écoute c'est tout pour cette vidéo si tu

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trouves ce contenu intéressant n'oublie

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pas le petit boost bleus avant de partir

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et si jamais tu es au collège ou au

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lycée et que tu cherches de l'aide dans

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des matières scientifiques

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à bonoua l'achète pour avoir accès à de

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nombreuses vidéos de physique chimie et

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de maths et à bientôt pour d'autres

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vidéos

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