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avril 2013 CORRIGE du cours de physique sur la pression et l'hydrostatique page

avril 2013 CORRIGE du cours de physique sur la pression et l'hydrostatique page 1 Pression et Hydrostatique 1. Notion de pression La notion de pression permet d'aborder des questions du style : - Pourquoi est-il plus aisé de marcher sur la neige fraîche avec des raquettes ? Sans raquette, on s'enfonce dans la neige... Pourtant, notre poids reste grosso modo le même... - Pourquoi on finit 9 fois sur 10 à l’hôpital lorsqu'une mignonne, charmante, très fine et légère demoiselle ( de faible poids ! ) nous marche sur un pied avec des talons aiguilles ? On sous-entend, dans cette question, que la charmante demoiselle nous a marché dessus avec le talon. - Pourquoi une aiguille pénètre-t-elle avec autant de facilité dans la peau, alors que la force pour effectuer cette opération est si faible ? 1.1 Définition Soit une force  F , qui s'exerce uniformément sur une surface S. On définit alors la pression comme étant le rapport de la force sur la surface : P= F perpendiculaire S où F perpendiculaire est la composante de  F perpendiculaire à S. Remarque : L'unité du Système International de la pression est le Pascal, son symbole est Pa. Exercice 1.1 : Ecrivez ce que vaut 1 [Pa] en fonction des unités de la force et de la surface : 1[ Pa] = 1[ N m2] Exercice 1.2 : Un objet de 50,0 [kg] est posé sur le sol. Sa section horizontale vaut 0,250 [m2]. Quelle pression son poids exerce-t-il sur le sol ? Pression = F P S = m ⋅g S = 50,0⋅9,81 0,250 = 1'960[ Pa] Exercice 1.3 : Un objet exerce une pression de 120 [Pa] sur une surface de 0,300 [m2]. Quelle est la masse de cet objet ? P = F P S = m⋅g S , donc m = P⋅S g = 120⋅0,300 9,81 = 3,67[kg] Exercice 1.4 : Un objet de 30,0 [kg] exerce une pression de 1200 [Pa] sur le sol. Quelle est la surface de contact de cet objet avec le sol ? P = F P S = m⋅g S , donc S = m⋅g P = 30,0⋅9,81 1'200 = 0,245[m 2]  F  F perpendiculaire avril 2013 CORRIGE du cours de physique sur la pression et l'hydrostatique page 2 2. Pression dans les fluides Définition : Un fluide est un liquide ou un gaz. 2.1 Masse volumique d'un liquide non compressible Rappelons que la masse volumique d'un objet de masse m et de volume V se définit comme le rapport : =m V Exercice 2.1 : Ecrivez les unités de la masse volumique dans le Système International MKSA : Les unités de la masse volumique dans le système International sont des [ kg m 3] . Définition : On dit qu'un fluide est incompressible si sa masse volumique ne dépend pas de la pression exercée sur ce fluide. Par exemple l'eau et plus généralement les liquides sont des fluides incompressibles. Par contre, l'air et plus généralement les gaz, sont des fluides compressibles. 2.2 Pression partielle dans un liquide non compressible Considérons un récipient à fond plat, de section S, rempli d'un liquide incompressible jusqu'à une hauteur h par rapport au fond du récipient. Notons ρ la masse volumique du liquide. Le dessin ci-contre représente ce récipient et le poids du liquide uniquement. Exercice 2.2 : Exprimez en fonction des grandeurs ρ, h, S et g : a) la masse m du liquide contenu dans ce récipient ; b) la force de pesanteur FP du liquide contenu dans ce récipient ; c) la pression P exercée par ce liquide sur le fond du récipient ; Concluez en écrivant une formule exprimant la pression P exercée par ce liquide sur le fond du récipient en fonction de la masse volumique du liquide ρ, de la hauteur h et de la gravitation g. a) La masse du liquide est m = ρ⋅V = ρ⋅S⋅h . b) La force de pesanteur du liquide est F P = m⋅g = ρ⋅S⋅h⋅g . c) La pression exercée par ce liquide sur le fond du récipient vaut : P = F P S = ρ⋅S⋅h⋅g S = ρ⋅h⋅g . Conclusion : P = ρ⋅g⋅h . h [m] S [ m 2] mg avril 2013 CORRIGE du cours de physique sur la pression et l'hydrostatique page 3 Il faut retenir que la pression exercée par un liquide incompressible ne dépend que de : - la hauteur ( ou profondeur ) h ; - la masse volumique du liquide ρ ; - l'accélération de la pesanteur g. La pression ne dépend pas de la section du récipient ! La pression exercée par le liquide à une profondeur h vaut : P=⋅g⋅h Définition : On donne à cette pression le nom de pression partielle, car on n'a tenu compte uniquement de la force de pesanteur du liquide dans le récipient ! Exercice 2.3 : Calculez la pression partielle d'une colonne d'eau de 10,0 mètres de hauteur. Utilisez la dernière page du cours pour les données manquantes. Ici, ρ = 998 [kg/m3], h = 10,0 [m] et g = 9,81 [N / kg]. Ces données sont en dernière page du cours. P = ρ⋅g⋅h = 998 [kg / m 3]⋅10,0 [m]⋅9,81 [N/kg] = 97'900 [Pa] . 2.3 Pression totale dans un liquide incompressible Dans le paragraphe précédent, on a considéré uniquement la force de pesanteur d'un liquide dans un récipient, mais on n'a pas du tout tenu compte de la pression atmosphérique Psurface qui, en fait s'additionne à la pression du liquide. Ainsi, la pression totale Ptot que subit le fond du récipient vaut : Ptot = ρ ⋅ g ⋅ h + Psurface • Au bord de la mer, la pression atmosphérique moyenne est de 1 atmosphère, soit 1,013 ⋅ 105 [Pa]. • A Genève, au bord du lac (h = 374 [m]), la pression atmosphérique moyenne est de : P = 0,969 ⋅ 105 [Pa]. • Au collège Claparède (h = 405 [m]), la pression atmosphérique moyenne est de : P = 0,965 ⋅ 105 [Pa]. La pression atmosphérique moyenne P varie en fonction de l'altitude h comme : P=1,01325⋅ 10 5 ⋅ (1−2,26⋅ 10 −5⋅ h) 5,255 , P exprimé en [Pa], l'altitude h exprimée en [m]. Exercice 2.4 : Un liquide possède une masse de 10,0 [kg] et est placé dans un récipient cylindrique de 100 [cm2] de section. Sa surface se trouve à 7,35 [cm] au-dessus du fond du récipient. a) Quelle est la masse volumique de ce fluide ? Quel est ce fluide ? b) Quelle pression partielle exerce ce fluide sur le fond du récipient ? c) Quelle pression totale subit le fond du récipient au collège Claparède ? a) La section du récipient vaut : S = 100[cm2] = 0,0100[m2] . Le volume de liquide vaut : V = 0,0100⋅0,0735 = 0,000735[m3] . La masse volumique du liquide vaut : ρ = m V = 10,0 0,000735 = 13' 600[ kg m 3] . b) Pression partielle : P partielle = ρ⋅g⋅h = 13'600⋅9,81⋅0,0735 = 9'810 [Pa] . On aurait aussi pu calculer : P partielle = m⋅g S = 10,0⋅9,81 0,0100 = 9'810 [Pa] . c) Pression totale au collège Claparède : P = ρ⋅g⋅h+Psurface = 9'810+96'500 = 106'300 [Pa] . avril 2013 CORRIGE du cours de physique sur la pression et l'hydrostatique page 4 2.4 D’autres unités hors Système International de la pression Il existe beaucoup d'autres unités hors Système International de la pression, chacune ayant une utilité pratique dans un domaine particulier : météorologie, génie civil, service du feu, etc. - le "millimètre de mercure" ou "mm-Hg" équivaut à la pression partielle exercée par une colonne de mercure de 1 [mm] de hauteur : Exercice 2.5 : Calculez la pression partielle d'une colonne de mercure de 1,000 millimètre de hauteur. Pression partielle : P partielle = ρ⋅g⋅h = 13'590⋅9,81⋅0,001000 = 133,3 [Pa] . En conséquence, 1,000 [mm-Hg] correspond à 133,3 [Pa]. Cette unité est très utilisée par les météorologues. Cette unité porte aussi le nom de torr. - l'atmosphère équivaut à la pression exercée par la force de pesanteur de l'atmosphère terrestre au niveau de la mer en situation météorologique normale ( ni haute , ni basse pression). 1 atmosphère équivaut à 760 [mm-Hg]. Exercice 2.6 : Exprimez une atmosphère en Pascals [Pa]. Une atmosphère vaut 13'590⋅9,81⋅0,760 = 101'300 [Pa] . - le bar est une unité très fréquemment utilisée par le service des eaux ou du feu : 1 bar équivaut à 105 [Pa]. - le "mètre colonne d'eau équivalent", notée mCE est aussi une unité très fréquemment utilisée par le service des eaux ou du feu. 1 [mCE] équivaut à la pression exercée par une colonne d'eau de 1 mètre de haut. Exercice 2.7 : Exprimez un [mCE] en Pascals [Pa]. Un mCE vaut 998⋅9,81⋅1,00 = 9'790 [Pa] . avril 2013 CORRIGE du cours de physique sur la pression et l'hydrostatique page 5 3. Principe de Pascal 3.1 Introduction expérimentale et formulation Pour visualiser ce uploads/Litterature/ 2ac-hydrostatique-corrige 1 .pdf