Fiche de révision : Physique générale des fluides

📋 Plan du Cours

1. Notions et mesure des grandeurs physiques
2. Masse volumique et densité
3. Poussée d’Archimède et flottaison
4. Pression et unités
5. Pression atmosphérique et hydrostatique
6. Transmission de la pression
7. Tension superficielle et capillarité

📖 1. Notions et mesure des grandeurs physiques

🔑 Notions clés & Définitions

• Physique : Étude de la matière et de son comportement au niveau le plus élémentaire et fondamental possible.

★ À maîtriser

• La physique est une science expérimentale qui repose sur l’observation, l’expérimentation, le raisonnement, la mesure et la comparaison de grandeurs physiques.

Compléments

• La physique étudie les phénomènes naturels et contribue à comprendre la nature, développer des technologies et établir des liens avec les autres sciences.

📖 2. Masse volumique et densité

🔑 Notions clés & Définitions

• Grandeur physique : Propriété mesurable dont on peut définir l’égalité et l’addition avec des grandeurs de même nature.
• Masse volumique : Masse de l’unité de volume d’un corps, donnée par $\rho = \frac{m}{V}$.

★ À maîtriser

📌 La mesure directe d’une grandeur physique se fait avec un instrument, tandis que sa mesure indirecte est obtenue par calcul.

• La masse volumique s’exprime en kilogrammes par mètre cube (kg/m³) dans le Système international.

📌 La masse volumique s’exprime en kg/m³, tandis que la densité est sans unité et vaut, pour un gaz, $d=\frac{\rho}{\rho_{air}}$ et, pour un solide ou un liquide, $d=\frac{\rho}{\rho_{eau}}$.

Compléments

• Les masses volumiques données sont :
  • 1,3 kg/m³ pour l’air
  • 1000 kg/m³ pour l’eau
  • 917 kg/m³ pour la glace
  • 19 300 kg/m³ pour l’or
  • 2,2 × 10¹⁷ kg/m³ pour un noyau atomique

💡 Astuce mémo

La masse volumique porte une unité ; la densité est un rapport sans unité.

📖 3. Poussée d’Archimède et flottaison

★ À maîtriser

📌 Selon le principe d’Archimède, tout corps plongé dans un liquide reçoit vers le haut une poussée égale au poids du liquide déplacé.

📐 Formule - Le poids apparent d’un objet immergé est $P_a=P-F_A$, où $P$ est son poids réel et $F_A$ la poussée d’Archimède.

📌 Un objet coule si sa densité est supérieure à celle du liquide, est en équilibre si elles sont égales et flotte si sa densité est inférieure.

📌 Lorsqu’un objet flotte, son poids égale celui du liquide déplacé et son volume immergé s’ajuste pour établir l’équilibre.

Compléments

• La comparaison du volume d’eau déplacé par une couronne et par un lingot d’or de même poids permet de tester si la couronne est en or pur : des volumes différents indiquent des masses volumiques différentes.

💡 Astuce mémo

Poids réel vers le bas, poussée d’Archimède vers le haut.

📖 4. Pression et unités

🔑 Notions clés & Définitions

• Pression : Intensité de la force exercée perpendiculairement par unité de surface.

★ À maîtriser

📐 Formule - La pression est donnée par $P=\frac{F}{S}$, où $F$ est la force perpendiculaire et $S$ la surface.

• L’unité SI de pression est le pascal : $1\ \mathrm{Pa}=1\ \mathrm{N/m^2}=1\ \mathrm{kg\,m^{-1}\,s^{-2}}$.

Compléments

• Les équivalences de pression données sont $1\ \mathrm{bar}=10^5\ \mathrm{Pa}$, $1\ \mathrm{atm}=1{,}01\ \mathrm{bar}=1{,}013\times10^5\ \mathrm{Pa}$, $1\ \mathrm{mbar}=10^2\ \mathrm{Pa}=1\ \mathrm{hPa}$ et $760\ \mathrm{Torr}=1\ \mathrm{atm}$.

📖 5. Pression atmosphérique et hydrostatique

★ À maîtriser

• La pression atmosphérique indiquée dans le cours est $P_{atm}=101\,326\ \mathrm{Pa}$ et elle diminue lorsque l’altitude augmente.

📐 Formule - Dans un fluide au repos, la pression à la profondeur $h$ est donnée par $P_h=P_0+\rho gh$.

• Dans un fluide, la pression dépend de la profondeur et de la masse volumique du fluide.

Compléments

• L’expérience de Magdebourg montre l’existence de la pression atmosphérique : deux demi-sphères creuses collées deviennent difficiles à séparer lorsqu’on aspire l’air à l’intérieur.

• L’expérience de Torricelli, réalisée en 1643, attribue la pression atmosphérique au poids de l’atmosphère.

• La pression se mesure avec un baromètre ou un manomètre, et le baromètre de Torricelli utilise une colonne de mercure.

💡 Astuce mémo

La profondeur augmente → la pression hydrostatique augmente.

📖 6. Transmission de la pression

★ À maîtriser

📌 Selon la loi de Pascal, une variation de pression appliquée à un liquide au repos se transmet intégralement et également en tout point du liquide et dans toutes les directions.

Compléments

• Dans un frein hydraulique, la pression exercée sur la pédale est transmise par le liquide de frein aux plaquettes, qui serrent les roues.

• Pour un gaz contenu dans un récipient, la pression exercée sur les parois vérifie $F=pS$.

📖 7. Tension superficielle et capillarité

🔑 Notions clés & Définitions

• Tension superficielle : Liée aux forces électrostatiques qui assurent la cohésion du liquide et à l’origine de la forme bombée de l’eau.

★ À maîtriser

• Le coefficient de tension superficielle est défini par $\gamma=\frac{F}{2L}$.

Compléments

• Les phénomènes capillaires et superficiels ne s’expliquent pas par les lois hydrostatiques.