LA PRESSION - IES Drago
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La pression<br />
Unité 3<br />
<strong>LA</strong> <strong>PRESSION</strong><br />
Un corps peut se déformer s’il est soumis à une force pressante, c’est-à-dire, une<br />
action de contact répartie sur sa surface.<br />
Ainsi, si on fixe une affiche sur un mur à<br />
l’aide d’une punaise, on provoque l’apparition<br />
d’un trou dans le mur et l’enfoncement de la<br />
punaise.<br />
1. Trois personnes qui ont le même poids, marchent sur une couche de neige<br />
fraîchement tombée<br />
- La première marche en bottes.<br />
- La deuxième marche en bottes et équipée d’un sac à dos.<br />
- La troisième marche à skis.<br />
a) Dessinez les forces qu’exercent ces personnes sur la couche de neige<br />
b) Quelle est la personne qui s’enfonce le plus ? _____________________<br />
c) Quelle est la personne qui s’enfonce le moins ? ____________________<br />
d) La déformation subie par la couche de neige dépend donc :<br />
- de _________________________________________<br />
- de _________________________________________<br />
2. Complétez :<br />
Pour une même force pressante, on augmente la pression en _________________<br />
la surface pressée.<br />
Pour une même surface pressée, on augmente la pression en _________________<br />
la force pressante.<br />
1
La pression<br />
3. Choisissez, parmi les expressions suivantes, une équation pour définir la pression :<br />
P = F ⋅ S ; P = S / F ;P = F / S<br />
Si une force pressante F r appuie perpendiculairement sur une surface plane, la pression<br />
P due à cette force est le quotient de l’intensité de la force, F, par l’aire S de la surface :<br />
P =<br />
F<br />
S<br />
1N<br />
L’unité de pression dans le S.I. est le pascal (symbole : Pa), 1 Pa = 2<br />
1 m<br />
On utilise couramment le bar, 1 bar = 1000 000 Pa = 10 5 Pa, ou le sous multiple mbar, 1<br />
mbar = 10 –3 bar<br />
4. On exerce une force d’intensité 60 N sur la tête d’une punaise que l’on enfonce<br />
dans un mur. Calculez la pression exercée sur la tête de surface 0’5 cm 2 .<br />
5. Quel est le poids d’une personne de 70 kg ? Quelle est la pression exercée par<br />
une personne de 70 kg, munie :<br />
a) de chaussures (surface des semelles = 10 dm 2 )<br />
b) de chaussures et d’un sac à dos de 15 kg.<br />
c) de skis (surface des skis = 50 dm 2 )<br />
6. Quelle est la pression exercée par une abeille quand elle nous pique ? Le dard<br />
de l’abeille exerce une force d’environ 10—4N. Le dard de l’abeille présente une<br />
surface de l’ordre de 10–10 cm 2 .<br />
7. Complétez :<br />
Dans un tube de<br />
télévision<br />
Dans un pneu de<br />
voiture<br />
Dans une bouteille d’air<br />
comprimé<br />
Dans l’eau à 600 m de<br />
profondeur<br />
P (bar)<br />
P (Pa)<br />
10 –5 ______<br />
______ 2’5 ⋅ 10 5<br />
5 ______<br />
______ 6 ⋅ 10 7<br />
8. Mettre en ordre les groupes de mots pour trouver une phrase<br />
est une grandeur physique<br />
qui correspond à<br />
divisée par<br />
La pression est<br />
la surface<br />
perpendiculaire à la force<br />
l'intensité d'une force<br />
sur laquelle elle s'applique<br />
2
La pression<br />
9. Une paroi plane d’aire S = 800 cm 2 sépare deux gaz à des pressions<br />
différentes, p 1 = 10 5 Pa et p 2 = 0’5 10 5 Pa<br />
Dioxygène<br />
Dioxyde de Carbone<br />
pression : p 1<br />
pression : p 2<br />
paroi<br />
- Donner l’expression littérale de la force exercée par chaque gaz sur la<br />
paroi.<br />
- Calculer la valeur de chacune des forces.<br />
- Représenter ces forces en échelle linéaire.<br />
10. Dans certains laboratoires de recherche, l’air intérieur est en surpression par<br />
rapport à l’air extérieur, pour limiter l’entrée de poussières. La différence de<br />
pression est de 100 hPa.<br />
- Calculer la force résultante qui s’exerce sur une porte de laboratoire de<br />
dimension 1’90 m x 0’95 m.<br />
- Représenter cette force résultante sur un schéma (indiquer l’extérieur et<br />
l’intérieur).<br />
- Calculer la masse d’un solide de poids égal à la valeur de cette force.<br />
La pression exercée par les liquides<br />
Nos avons un tube en U avec une<br />
membrane élastique. Si le tube est placé<br />
dans l’atmosphère la membrane n’est pas<br />
tendue.<br />
Si nous plaçons l’extrémité du tube avec<br />
membrane dans un liquide, la membrane est<br />
tendue comme il est indiqué sur la figure. Ceci<br />
montre la pression qu’exerce le liquide sur la<br />
membrane.<br />
3
La pression<br />
La déformation de la membrane<br />
augmente de manière significative avec la<br />
profondeur.<br />
La forme de la membrane est<br />
indépendante de l’orientation de la membrane<br />
autour d’un même point.<br />
11. Complétez les conclusions avec les mots suivants : vectorielle, profondeur,<br />
scalaire, pression, direction<br />
- Les liquides exercent une ______________.<br />
- La pression exercée par les liquides augmente avec la ________________<br />
dans le liquide.<br />
- La pression ne dépend pas de la ______________. La pression n’est pas<br />
une grandeur ______________ comme la force, la pression est une<br />
grandeur _______________.<br />
Dans un liquide, la pression exercée sur un point représente le poids de la colonne<br />
de liquide sur une surface qui se trouve à la même profondeur, h, que le point.<br />
A<br />
h<br />
P<br />
P<br />
A<br />
A<br />
Poids<br />
=<br />
S<br />
= d<br />
liquide<br />
liquide<br />
⋅ h ⋅ g<br />
=<br />
m<br />
liquide<br />
S<br />
⋅ g<br />
d<br />
=<br />
liquide<br />
⋅ V<br />
S<br />
colonne<br />
⋅ g<br />
d<br />
l<br />
⋅ h<br />
=<br />
colonne<br />
S<br />
⋅S⋅<br />
g<br />
Unités de mesure :<br />
Pression, P : Pa<br />
Masse volumique ou densité, d : Kg/m 3<br />
Profondeur, h : m<br />
Intensité de la pesanteur, g : N/Kg<br />
12. Un plongeur emporte avec lui une bouteille en plastique fermée et remplie d’air<br />
à pression atmosphérique. Les dessins représentent la forme de la bouteille au<br />
fur et à mesure de sa descente.<br />
Masse volumique de l’eau de mer (densité) = 1030 kg/m 3<br />
4
La pression<br />
0 m 10 m 20 m<br />
a) Quelle est la cause de la déformation de la bouteille ?<br />
b) Quelle pression subit le plongeur lorsqu’il est sur le bord de l’eau, à<br />
10 m sous l’eau et à 20 m sous l’eau ?<br />
La pression atmosphérique<br />
Quand vous nagez sous l’eau, vous sentez que la pression sur votre corps<br />
augmente avec la profondeur. L’air lui aussi crée une pression, mais vous ne le sentez<br />
pas. La pression de l’atmosphère est même très forte, et vous écraseriait si les fluides à<br />
l’intérieur de votre corps n’exerçaient pas une pression égale et opposée, qui<br />
l’équilibre.<br />
Les savants ont d’abord pensé que la pression atmosphérique était due au poids<br />
de kilomètres d’air qui appuie sur la Terre. Mais la pression atmosphérique s’exerce<br />
dans toutes les directions –vers le haut, le bas les côtés- et correspond au<br />
bombardement incessant des molécules d’air.<br />
Elle décroît quand vous vous élevez dans l’atmosphère : ainsi, l’altimètre d’un<br />
avion mesure simplement la pression pour indique l’altitude.<br />
Les cabines des avions doivent être pressurisées car la diminution de pression<br />
en altitude rend la respiration impossible : la pression interne de votre corps empêche<br />
l’air d’entrer.<br />
La Science. Guide pratique de jeunesse<br />
Judith Hann<br />
13. Vrai ou faux. Rétablir la vérité s’il est nécessaire.<br />
___ La pression atmosphérique est<br />
due au poids de l’atmosphère.<br />
___ La pression atmosphérique est due<br />
au bombardement des molécules d’air.<br />
P = 1’5 bar<br />
P = 1’1 bar<br />
___ La pression atmosphérique augmente<br />
quand nous nous élevons dans l’atmosphère.<br />
___ La pression atmosphérique<br />
s’exerce vers le bas.<br />
5
La pression<br />
14. Pourquoi est-ce que nous ne sommes pas écrasés par la pression<br />
atmosphérique ?<br />
_________________________________________________________<br />
_________________________________________________________<br />
15. Est-ce que les scientifiques ont-ils toujours connu la façon d’agir de la pression<br />
atmosphérique ?<br />
_________________________________________________________________<br />
16. Le physicien « Evangelista Torricelli » (1608-1647) dit que « nous vivons au<br />
fond d’un océan d’air ». Établissez les similitudes et les différences entre la<br />
pression exercée par l’eau et la pression exercée par l’air dans la situation<br />
suivante :<br />
17. Pourquoi la pression atmosphérique s’exerce-t-elle dans toutes les directions ?<br />
_________________________________________________________<br />
_________________________________________________________<br />
18. Si on fait le vide partiel dans une bouteille en plastique, la paroi se déforme, de<br />
la même façon que celle du plongeur s’écrasait. Quelle en est la raison ?<br />
6
La pression<br />
Mesure de la pression atmosphérique<br />
Evangelista Torricelli (physicien italien, 1608-1647), proposa une expérience en<br />
1643 dans laquelle il employa le premier baromètre, appareil qui mesure la pression<br />
atmosphérique.<br />
Il a utilisé un tube d’un mètre de long, scellé à l’une de ses extrémités et rempli de<br />
mercure. Il a bouché avec un doigt l’autre extrémité.<br />
Il a retourné ce tube sur une cuve que contenait aussi du mercure.<br />
Le niveau de mercure dans le tube baisse mais il se stabilise à environ 760 mm de la<br />
surface de la cuve. Au-dessus du mercure du tube, il n’y a plus rien, c’est le vide<br />
19. Complétez :<br />
1 e )<br />
2 e ) 3 e )<br />
h =<br />
h =<br />
Selon Torricelli, la force pressante exercée par<br />
l’atmosphère agit sur la surface de mercure et<br />
compense le poids de la colonne de mercure, ce qui<br />
empêche le tube de se vider. La hauteur de la colonne<br />
de mercure, h, mesure la pression atmosphérique en<br />
millimètre ou centimètre de mercure.<br />
Force pressante<br />
exercée par<br />
l’atmosphère<br />
Poids de la<br />
colonne de<br />
mercure<br />
Puy de Dôme, situé à quelques<br />
kilomètres de la ville de Clermont-<br />
Ferrand, en Auvergne<br />
Blaise Pascal (physicien français, 1963-<br />
1662), confirma l’hypothèse de Torricelli. Il affirma<br />
que si la hauteur de la colonne de mercure était liée<br />
à la pression atmosphérique, cette hauteur devrait<br />
diminuer avec l’altitude puisque la pression<br />
atmosphérique diminue aussi. Il demanda à son<br />
beau-frère de répéter l’expérience de Torricelli sur le<br />
Puy de Dôme (1464 m) ; celui-ci constata que la<br />
hauteur de la colonne de mercure était de 680 mm.<br />
En hommage à Pascal, on donnera son nom à l’unité de la pression dans le S.I.<br />
On emploie souvent pour mesurer la pression le millimètre de mercure, mm Hg,<br />
unité appelée aussi « tor » en l’honneur de Torricelli.<br />
7
La pression<br />
20. En employant l’expression P = d ⋅ g ⋅ h, calculez la valeur de la pression qui<br />
exerce une colonne de 760 mm de mercure, exprimée en Pa.<br />
Donné : d mercure = 13’6 g/cm 3 = 13600 kg/m 3 .<br />
21. L’eau est une substance qui n’est ni chère ni dangereuse. Pourtant nous ne vous<br />
suggérons pas de faire l’expérience de Torricelli avec de l’eau. Pourquoi ?<br />
22. Cherchez l’erreur dans le tableau qui représente Evangelista Torricelli avec son<br />
baromètre de mercure.<br />
E. Torricelli<br />
23. La pression atmosphérique à la surface du globe oscille autour d’une valeur<br />
moyenne de 1013 hPa. Le maximum de pression atmosphérique, mesuré en<br />
Sibérie occidentale, est de 1078 hPa, et le minimum, enregistré dans l’océan<br />
Pacifique, au large des Philippines, de 887 hPa. Calculez :<br />
1013 hPa = _______________ Pa = ___________bar = ______________ mbar<br />
= ______________ tor<br />
1078 hPa = _______________ Pa = ___________bar = ______________ mbar<br />
= ______________ tor<br />
887 hPa = _______________ Pa = ___________bar = ______________ mbar<br />
= ______________ tor<br />
24. En laboratoire, on peut recueillir le gaz dégagé lors d’une réaction chimique, par<br />
déplacement d’eau (ce gaz était insoluble dans l’eau).<br />
a) b) c)<br />
Dans quel tube à essai la pression du gaz est-elle :<br />
- supérieure à la pression atmosphérique ? ________________________<br />
- égale à la pression atmosphérique ? ____________________________<br />
- inférieure à la pression atmosphérique ? ________________________<br />
Justifier les réponses.<br />
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