Partons de simples observations. Si tu plonges une petite cuillère en métal dans un verre d’eau, elle coule aussitôt au fond. Des bateaux en acier de plusieurs milliers de tonnes flottent à la surface de la mer. Dans le ciel, une montgolfière s’élève alors qu’elle semble plus lourde que l’air qui l’entoure, et les nuages semblent rester en l’air sans tomber d’un coup sur le sol. Tout cela pose la même question : pourquoi certains objets coulent ou tombent, tandis que d’autres restent à flot, sur l’eau ou dans l’air ? Pour comprendre et expliquer ce phénomène, il faut tout d’abord parler de la manière dont la Terre attire les objets vers le bas (gravité), puis voir comment les fluides réagissent quand un objet y est plongé.

Gravité et équilibre des forces

Si tu as lu l’article sur la gravité, tu as vu qu’un objet posé sur une table est attiré vers le bas par son poids mais qu’il est également soumis à la force que la table exerce sur lui. S’il n’y avait pas de table, il tomberait. Mais la table réagit en poussant l’objet vers le haut. Cette force n’est pas visible, pourtant elle existe bien : l’objet reste en place, sans s’enfoncer dans la table et sans s’envoler.

On peut résumer la situation ainsi :

• le poids attire l’objet vers le bas,
• la table pousse l’objet vers le haut,
• ces deux forces se compensent : l’objet est immobile, il est en équilibre.

Ce jeu d’équilibre entre une force vers le bas et une force vers le haut existe aussi dans l’eau et dans l’air, mais cette fois le support n’est plus une table rigide, c’est un fluide qui peut se déplacer et se déformer. Pour en savoir plus sur les forces, tu peux lire l’article « Pousser, tirer, freiner, les forces invisibles de ta journée. »

Dans l’eau : la poussée d’Archimède

Quand tu plonges un objet dans l’eau, il occupe une partie du volume qui était auparavant rempli d’eau. L’eau est un peu gênée : elle se tasse, se pousse sur les côtés, peut monter un peu autour de l’objet. En réaction, elle exerce une force vers le haut sur cet objet, comme si elle cherchait à retrouver le volume qu’on lui a pris. Cette force vers le haut, c’est la poussée d’Archimède.

On peut alors voir deux forces qui agissent en même temps :

• le poids, qui attire l’objet vers le bas ;
• la poussée d’Archimède, qui le pousse vers le haut.

Deux situations peuvent se produire :

• si le poids est plus fort que la poussée, l’objet coule ;
• si la poussée est capable d’équilibrer le poids, l’objet flotte : il s’enfonce jusqu’à atteindre un niveau où les deux forces se compensent.

Archimède a montré que la poussée d’Archimède est égale au poids du volume d’eau déplacé par l’objet. Si tu imagines un récipient rempli d’eau à ras bord : l’eau qui déborde quand tu plonges un objet représente exactement le volume pris par cet objet. Si tu pouvais peser cette eau, son poids serait égal à la poussée qui s’exerce vers le haut sur l’objet.

Pour savoir si un objet flotte, ce qui compte, ce n’est donc pas seulement s’il est lourd ou léger, mais s’il est lourd pour la place qu’il occupe dans l’eau. On parle de densité, qui compare la masse d’un objet à son volume (tu peux retrouver cette notion dans l’article « C’est quoi la masse d’un objet ? ») : un objet plus dense que l’eau a tendance à couler, un objet moins dense peut flotter.

On peut comparer deux cas :

• Un bloc de métal compact contient beaucoup de matière dans un petit volume. Il ne repousse pas beaucoup d’eau, donc la poussée vers le haut reste faible par rapport à son poids : il coule.
• Un bateau en métal est creux et contient de l’air. Sa coque est large et occupe beaucoup de place dans l’eau : il repousse une grande quantité d’eau, donc la poussée vers le haut est importante. Tant que cette poussée est suffisante pour porter le poids du bateau et de sa cargaison, il flotte. S’il est trop chargé, il s’enfonce davantage et peut finir par prendre l’eau et couler.

Dans l’air : montgolfières et ballons

La même idée s’applique dans l’air, qui est lui aussi un fluide. L’air a un poids, exerce une pression et peut pousser les objets vers le haut.

Une montgolfière flotte dans l’air pour des raisons très proches de celles qui font flotter un bateau :

• l’enveloppe contient de l’air chaud, moins dense que l’air extérieur ;
• la montgolfière repousse un certain volume d’air ;
• l’air extérieur exerce une poussée d’Archimède vers le haut.

Si cette poussée est plus grande que le poids de la montgolfière, celle-ci s’élève. Quand l’air intérieur refroidit, la densité augmente, la poussée ne suffit plus et la montgolfière redescend. Un ballon gonflé à l’hélium flotte pour la même raison : il repousse de l’air plus lourd que le gaz qu’il contient.

Une expérience simple pour voir la poussée d’Archimède

Avec un peu de pâte à modeler et un bol d’eau, tu peux sentir la différence.

• Forme une boule compacte : elle coulera facilement.
• Avec la même quantité de pâte, fabrique une petite barque creuse, plus large : souvent, elle flotte ou au moins s’enfonce moins.

Le poids est le même, mais la forme change. En barque, la pâte occupe plus de place dans l’eau, repousse davantage d’eau, et la poussée d’Archimède est plus grande. On comprend alors qu’un objet peut flotter, non pas parce qu’il n’est pas lourd, mais parce que sa forme lui permet de déplacer suffisamment de fluide.

On observe le même effet avec une bouteille en plastique : vide et fermée, elle flotte très bien ; à moitié remplie d’eau, elle s’enfonce davantage ; presque pleine, elle peut couler. Le volume ne change presque pas, mais le poids augmente, donc la poussée n’est plus suffisante pour la maintenir à la surface.

En résumé

On peut retenir quelques idées essentielles :

• Un fluide (eau, air…) exerce une force vers le haut sur les objets qu’on y plonge : c’est la poussée d’Archimède.
• Le poids attire l’objet vers le bas, la poussée d’Archimède le pousse vers le haut.
• Si le poids domine, l’objet coule ou tombe ; si la poussée du fluide est suffisante, l’objet flotte ou s’élève.
• La poussée d’Archimède est égale au poids du fluide déplacé par l’objet.
• Un bateau flotte, une montgolfière s’élève et un ballon à l’hélium monte dans le ciel : dans tous les cas, c’est le même équilibre entre gravité et poussée d’Archimède qui est à l’œuvre.