Pourquoi un bateau qui pèse plusieurs milliers de tonnes ne coule pas ?

Il existe de nombreux types de bateaux. Parfois, le voyage en bateau peut être très dangereux, surtout si les bateaux sont utilisés dans un but différent de celui pour quoi ils ont été conçus ou s’ils sont surchargés avec trop de poids.

Il existe de nombreux scénarios — comme les courses de baignoires, les grands cargos flottant en mer, ou même des problèmes sociaux comme les réfugiés qui tentent de s’échapper sur un bateau surchargé — qui pourraient faire en sorte que les étudiants se demandent pourquoi certains objets flottent alors que d’autres coulent ? La science peut nous aider à comprendre pourquoi les objets coulent ou flottent, et nous pouvons utiliser ces connaissances et les appliquer par l’ingénierie pour concevoir et évaluer des bateaux.

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Afin d’aider les élèves à comprendre ce phénomène, il est important que nous comprenions la science derrière la flottabilité.

LA SCIENCE DERRIÈRE LA FLOTTABILITÉ

Le phénomène de flottabilité peut être expliqué par la compréhension de la densité et du déplacement de l’eau, qui est partiellement déterminé par la forme de l’objet. La liste ci-dessous a été conçu pour fournir aux enseignants les principes scientifiques de base.

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• Flottabilité : Capacité à flotter dans un liquide ou à monter dans un gaz.
  • Ressource : Cette vidéo « Kids Want to Know » (3 minutes) fournit une illustration amusante de la flottabilité.
• Densité : Masse divisée par le volume, exprimée en « unité de masse par unité de volume ». La densité est une propriété d’un objet qui détermine s’il flotte ou s’enfonce. Les objets dont la densité est inférieure à l’eau flottent dans l’eau. Les objets dont la densité est SUPÉRIEURE à celle de l’eau couleront dans l’eau.
  • La densité de l’eau est de 1 gramme par centimètre cube.
  • Voici un tableau des densités de certains matériaux communs.
• Déplacement de l’eau : Cela se produit lorsqu’un objet est immergé dans l’eau. L’objet immergé pousse l’eau hors du chemin et le niveau d’eau dans un récipient augmentera donc.
  • Tout objet placé dans l’eau déplace l’eau. Si le poids de l’objet est INFÉRIEUR au poids de cette quantité déplacée de fluide, l’objet flotte. Si le poids de l’objet est SUPÉRIEUR au poids de cette quantité déplacée de fluide, il coule.
  • La meilleure façon de visualiser cela est d’utiliser un cylindre gradué. Remplissez le cylindre à moitié plein d’eau et ajoutez un objet qui coule. Vous pouvez mesurer la quantité d’eau déplacée en utilisant les marqueurs sur le cylindre.
  • En utilisant un cylindre gradué, vous pouvez également voir qu’un objet qui flotte déplace aussi l’eau. La quantité d’eau déplacée équivaut au volume de l’objet qui se trouve sous la surface de l’eau.
  • Ressource : Cet épisode de « Bill Nye le gars des sciences » plonge plus en profondeur et illustre le déplacement de l’eau.

• Pourquoi toutes les coques de bateau ne sont-elles pas pareilles ?

La forme de la coque d’un bateau influence la quantité d’eau qu’il déplace, sa stabilité, sa vitesse et d’autres caractéristiques. Pas tous les bateaux ont la même forme et tous les bateaux ne remplissent pas la même fonction. Voici quelques formes de coques de base que l’on peut trouver sur les bateaux. Ces différentes formes déplacent-elles différentes quantités d’eau ? Nos observations à ce sujet seraient-elles utiles pour concevoir un bateau pour un usage particulier ?

• Comment la flottabilité est-elle liée à la densité ?

En général, les objets moins denses que l’eau flottent. Cependant, les objets qui sont faits de matériaux plus denses que l’eau peuvent également flotter en fonction de leur forme et du déplacement de l’eau qui en résulte. Cela peut être illustré par une boule de feuille d’aluminium froissée par rapport à une feuille de feuille d’aluminium.

• Comment mesurer la densité d’un objet ?

1. Mesurez d’abord la masse de l’objet sur une échelle.
2. Mesurez ensuite le volume de cet objet. Le volume est facile à mesurer si l’on se rappelle qu’un objet déplace l’eau équivalente à son propre volume. Le volume des petits objets peut être mesuré en les déposant dans un cylindre gradué et en lisant le volume avant et après. Si l’objet flotte, vous devez l’immerger juste au-dessous de l’eau pour mesurer son volume. Mesurez le volume d’objets plus gros en les immergeant dans un récipient rempli d’eau, puis mesurez la quantité d’eau qui débordent
3. Divisez la masse par le volume et exprimez la masse volumique sous forme d’unité de masse par unité de volume, par exemple en grammes par centimètre cube.

• Comment pouvons-nous décrire la flottabilité comme l’équilibre des forces agissant sur un objet ?

La force d’un objet — comme un bateau — appuie sur l’eau et le déplace. La force de l’eau pousse également sur le bateau. S’il y a du sel — ou plus de masse — dans l’eau, l’eau est plus dense et elle pousse avec plus de force, de sorte que les objets dans l’eau salée seront plus flottants. Alternativement, s’il y a plus de masse dans le bateau, il poussera plus vers le bas, déplaçant plus d’eau, et le bateau sera moins flottante.

• Que se passe-t-il lorsqu’il y a un trou dans le bateau ?

L’ eau entrant dans le bateau augmente le poids à l’intérieur, et donc la densité. L’effet est le même que d’ajouter trop de personnes au bateau. La densité du bateau dépasse finalement la densité de l’eau et le bateau coule.

CE QUE LES ÉLÈVES DEVRAIENT SAVOIR SUR LA FLOTTABILITÉ

À cette classe, les élèves devraient s’engager dans des expériences qui favorisent la compréhension que les différents matériaux ont des propriétés différentes. Observez comment différents matériaux de même taille ont des poids différents. Observez comment certains matériaux flottent dans l’eau et certains coulent.

À la fin de la deuxième année, les élèves doivent savoir :

• PS 2.A : Les objets se tirent ou poussent les uns les autres lorsqu’ils entrent en collision ou sont connectés. Les poussées et les tirations peuvent avoir des forces et des directions différentes. Pousser ou tirer sur un objet peut modifier le la vitesse ou la direction de son mouvement et peut le démarrer ou l’arrêter. Un objet glissant sur une surface ou assis sur une pente subit une traction due au frottement sur l’objet en raison de la surface qui s’oppose au mouvement de l’objet.
• B : Lorsque les objets se touchent ou entrent en collision, ils se poussent les uns sur les autres et peuvent changer de mouvement ou de forme.

Activités suggérées :

Remplissez un récipient avec de l’eau et jouez avec différents objets flottants et coulant. Comment les différentes poussées et tirettes affectent-elles un objet flottant comme un canard en caoutchouc ? Pouvons-nous le pousser ou le tirer sur la surface de l’eau ? Peut-on souffler dessus pour le faire changer de direction ? On peut faire couler le canard sous l’eau ? Que faut-il pour immerger le canard ? Comment la quantité de force affecte-t-elle le mouvement de l’objet ?

Années 3 à 5

Dans cette bande, les élèves devraient être en mesure de comprendre que les théories scientifiques sont fondées sur des preuves et des tests qui nous permettent de modifier les explications basées sur de nouvelles preuve. Quelles idées les élèves ont-ils sur les objets qui flottent et quels objets coulent ? Pouvez-vous introduire un nouvel objet et voir comment leur perspective change ?

À la fin de la 5e année, les élèves doivent savoir :

• R : Chaque force agit sur un objet particulier et a à la fois une force et une direction. Un objet au repos a généralement plusieurs forces agissant sur lui, mais elles ajoutent pour donner zéro force nette sur l’objet. Les forces qui ne totulent pas à zéro peuvent provoquer des changements dans la vitesse ou la direction de mouvement de l’objet. (Limite : Des forces qualitatives et conceptuelles, mais non quantitatives, sont utilisées à ce niveau.) Les motifs du mouvement d’un objet dans diverses situations peuvent être observés et mesurés. Lorsque le mouvement passé présente un motif régulier, le mouvement futur peut être prédit à partir de celui-ci. (Limite : Les termes techniques tels que magnitude, vitesse, momentum et quantité vectorielle ne sont pas introduits à ce niveau, mais le concept selon lequel certaines quantités ont besoin à la fois de taille et de direction à décrire est développé.)
• B : Les objets en contact exercent des forces les uns sur les autres — friction, pousses et tirations élastiques. Les forces électriques, magnétiques et gravitationnelles entre une paire d’objets ne nécessitent pas que les objets soient en contact. Par exemple, les aimants poussent ou tirent à distance. Les dimensions des forces dans chaque situation dépendent des propriétés des objets et de leurs distances séparées et, pour les forces entre deux aimants, de leur orientation l’un par rapport à l’autre. La force gravitationnelle de la Terre agissant sur un objet près de la surface de la Terre tire cet objet vers le centre de la planète.

Activités suggérées :

Donner à des groupes d’élèves des seaux ou des baignoires d’eau et des objets assortis de densités et de formes diverses, tels que :

• bouchons de bouteilles en métal ou en plastique
• feuille d’aluminium
• morceaux d’argile
• choses en bois
• choses en métal
• papier
• bouteilles en plastique

Les étudiants feront observations et écrire des questions tout en explorant le principe de la flottabilité. Posez des questions aux élèves et demandez-leur de faire des prédictions lorsqu’ils font des observations : combien de temps un objet prend-il pour couler ? Combien pèsent les différents objets ? Pouvons-nous mesurer le déplacement de l’eau (volume) ? Quels motifs observons-nous en relation avec la forme d’un objet et sa flottabilité ? Si un morceau d’argile coule, que se passe-t-il lorsque vous aplatir l’argile ? Pouvez-vous modifier un objet flottant pour le faire couler ? Pouvez-vous modifier un objet qui coule pour le faire flotter ?

À la fin de la 5e année, les élèves doivent également savoir :

• 3-5 ETS-1A : Les solutions possibles à un problème sont limitées par le matériel et les ressources disponibles (contraintes). Le succès d’une solution conçue est déterminé en tenant compte des caractéristiques souhaitées d’une solution (critères). Différentes propositions de solutions peuvent être comparées en fonction de la mesure dans laquelle chacune répond aux critères de réussite spécifiés ou de la mesure dans laquelle chacune prend les contraintes en tenant compte.
• 3-5 ETS-1B : La recherche sur un problème devrait être effectuée — par exemple par le biais de recherches sur Internet, d’études de marché ou d’observations sur le terrain — avant de commencer à concevoir une solution. Un moyen souvent productif de générer des idées est que les gens travaillent ensemble pour remuer, tester et affiner les solutions possibles. Le test d’une solution implique d’étudier son rendement dans une série de conditions probables. Les essais sont souvent conçus pour identifier les points de défaillance ou les difficultés, ce qui suggère les éléments d’une conception qui doivent être améliorés. À quelque étape que ce soit, communiquer avec les pairs au sujet des solutions proposées est une partie importante du processus de conception et les idées partagées peuvent conduire à des conceptions améliorées. Il existe de nombreux types de modèles, allant des modèles physiques simples aux modèles informatiques. Ils peuvent être utilisés pour étudier le fonctionnement d’une conception, communiquer le plan à d’autres et comparer différentes conceptions.
• 3-5 ETS 1C : Différent les solutions doivent être testées afin de déterminer laquelle d’entre elles résout le mieux le problème, compte tenu des critères et des contraintes.

Activité suggérée :

Défiez les élèves de concevoir un bateau pour accueillir autant de passagers — sous ou rondelles — que possible. Les élèves devraient être en mesure de faire des prédictions (hypothèses) sur les matériaux et les formes des bateaux en fonction de leurs observations. Les élèves peuvent fabriquer les bateaux, tester les bateaux (Combien de centimes faut-il pour couler le bateau ?) et affiner leurs conceptions en fonction de leurs observations Comment peuvent-ils améliorer le bateau en utilisant ce qu’ils ont appris sur la densité et le déplacement de l’eau ?

6e à 8e année

Dans cette bande d’études, les élèves devraient pouvoir utiliser diverses méthodes pour mener une enquête scientifique et utiliser des mesures pour évaluer les explications proposées.

À la fin de la 8e année, les élèves doivent savoir :

• R : Toutes les substances sont fabriquées à partir d’une centaine de types différents d’atomes, qui se combinent les uns avec les autres de différentes manières. Les atomes forment des molécules dont la taille varie de deux à milliers d’atomes. Les substances pures sont fabriquées à partir d’un seul type d’atome ou de molécule. Chaque substance pure possède des propriétés physiques et chimiques caractéristiques — pour toute quantité en vrac dans des conditions données — qui peuvent être utilisées pour l’identifier. Les gaz et les liquides sont constitués de molécules ou d’atomes inertes qui se déplacent les uns par rapport aux autres. Dans un liquide, les molécules sont constamment en contact les unes avec les autres ; dans un gaz, elles sont largement espacées sauf lorsqu’elles entrent en collision. Dans un solide, les atomes sont étroitement espacés et vibrent en position, mais ne changent pas les emplacements relatifs. Les solides peuvent être formés à partir de molécules, ou il peut s’agir de structures étendues avec des sous-unités répétées (p. ex. cristaux). Les changements d’état qui se produisent avec des variations de température ou de pression peuvent être décrits et prédits à l’aide de ces modèles de matière. (Limite : les prédictions ici sont qualitatives, pas quantitatif.)

Activités suggérées :

Les élèves peuvent observer différents matériaux que nous prévoyons flotter ou couler dans l’eau en fonction de leur densité. Que se passe-t-il si nous versons de l’huile dans une fiole d’eau ? De l’eau dans de l’alcool ? D’autres combinaisons ? Vous pouvez colorer l’eau avec un colorant alimentaire pour le rendre plus facile d’observer les interactions

Que se passe-t-il si nous ajoutons du sel à l’eau ? Comment cela affecte-t-il la flottabilité des différents objets ? Pouvons-nous mesurer la densité de l’eau salée et mesurer la densité de différents matériaux pour expliquer les phénomènes et faire des prévisions sur la flottabilité ? Qu’est-ce qui a changé au sujet des propriétés de l’eau lorsque du sel est ajouté ? Qu’en est-il des autres liquides comme l’alcool à frotter ? De l’huile végétale ? Quelles sont les propriétés qui sont différentes de l’eau et pourquoi ? A quoi ressemblent les molécules de ces différents matériaux ? Comment la forme de la molécule influence-t-elle la propriété du liquide ?

À la fin de la 8e année, les élèves doivent également savoir :

• MS ETS 1-A : Plus les critères et les contraintes d’une tâche de conception peuvent être définis avec précision, plus il est probable que la solution conçue soit couronnée de succès. La spécification des contraintes comprend la prise en compte des principes scientifiques et d’autres connaissances pertinentes susceptibles de limiter les solutions possibles (p. ex., la connaissance du climat local peut exclure certaines plantes pour le jardin de l’école).
• MS-ETS-1 B : Une solution doit être testée, puis modifiée sur la base des résultats des essais, afin de l’améliorer. Il existe des processus systématiques pour évaluer les solutions en ce qui concerne la mesure dans laquelle elles répondent aux critères et aux contraintes d’un problème. Parfois, des parties de différentes solutions peuvent être combinées pour créer une solution qui est meilleure que n’importe laquelle de ses prédécesseurs. Dans tous les cas, il est important de pouvoir communiquer et expliquer les solutions aux autres. Les modèles de toutes sortes sont importants pour les solutions de test et les ordinateurs sont un outil précieux pour simuler les systèmes. Les simulations sont utiles pour prédire ce qui se passerait si divers paramètres du modèle étaient modifiés, ainsi que pour apporter des améliorations au modèle en fonction de la rétroaction des pairs et des leaders (p. ex. enseignants).
• MS-STE 1C : Il existe des processus systématiques pour évaluer les solutions en ce qui concerne la mesure dans laquelle elles répondent aux critères et aux contraintes d’un problème. Pour comparer différentes conceptions, il pourrait s’agir de les exécuter à travers les mêmes types d’essais et d’enregistrer systématiquement les résultats afin de déterminer quelle conception fonctionne le mieux. Bien qu’une conception ne soit pas la meilleure pour tous les essais, l’identification des caractéristiques de la conception qui a été la mieux réalisée dans chaque essai peut fournir des renseignements utiles pour le processus de refonte, c’est-à-dire que certaines de ces caractéristiques peuvent être intégrées à la nouvelle conception. Ce processus itératif de tester les solutions les plus prometteuses et de modifier ce qui est proposé sur la base du test conduit à un plus grand raffinement et finalement à une solution optimale. Une fois que cette solution appropriée est déterminée, il est important de décrire cette solution, d’expliquer comment elle a été développée et de décrire les caractéristiques qui la font réussir.

Activités suggérées :

Les étudiants peuvent concevoir et fabriquer des bateaux, en optimisant pour différentes qualités. En quoi un bateau conçu pour la vitesse ou la stabilité est-il différent d’un bateau conçu pour accueillir un grand nombre de passagers ou de marchandises ?

Les élèves peuvent mesurer les dimensions des bateaux modèles, calculer la masse et le volume, et prédire combien de poids chacun devrait être capable de porter avant de couler. (Rappelons que si le poids d’un objet est inférieur au poids de sa quantité déplacée de fluide, l’objet flotte. Si le poids de l’objet est supérieur au poids de sa quantité déplacée de fluide, il coule.)

Ashley Richards Best est étudiante au doctorat de cinquième année et National Science Chercheur diplômé de la Fondation à l’Université de Louisville et Amanda Fuller est directrice générale de l’Académie des sciences du Kentucky.