Question:
Un cuirassé peut-il flotter dans une petite quantité d'eau?
SlowMagic
2018-12-16 20:00:33 UTC
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Étant donné un cuirassé, supposons que nous construisions une baignoire avec exactement la même forme que la coque du cuirassé, mais 3 cm plus large. Nous remplissons la baignoire avec juste assez d'eau pour égaler le volume d'espace entre la coque et la baignoire. Maintenant, nous abaissons très soigneusement le cuirassé dans la baignoire.

Le cuirassé flotte-t-il dans la baignoire?

Je l'ai essayé avec deux grands bols en verre et le bol intérieur semblait flotter. Mais si le cuirassé flotte, cela ne contredit-il pas ce que nous avons appris à l'école? Le principe d'Archimède dit: "Tout objet flottant déplace son propre poids de fluide." Le cuirassé pèse sûrement beaucoup plus que la petite quantité d'eau qu'il déplacerait dans la baignoire.

Remarque: à l'origine, j'avais spécifié que la baignoire ne faisait que 1 mm plus large dans toutes les directions, mais je pensais que vous me diriez probablement quand une couche de fluide devient si mince, la flottabilité est dépassée par la tension de surface, la cohésion, l'adhérence, l'aquaplanage, ou autre. Je voulais que ce soit une question sur la flottabilité uniquement.

Couler le navire à 0,5 mm supplémentaire de son équilibre.Cela nécessite de déplacer Ax0,5 mm d'eau avec un volume égal de navire de plus petite densité.La flottabilité s'y oppose.
Si vous avez seulement commencé avec juste assez d'eau pour égaler le volume qu'elle déplacerait, vous avez déjà effectué le «déplacement».Remplissez la baignoire, puis mettez-la;maintenant, soit aller chercher une serpillière ou courir nu en hurlant.
Copie possible de [Un navire peut-il flotter dans une (grande) baignoire?] (Https://physics.stackexchange.com/q/304245/)
Semblable à une idée que mon père (un ingénieur en construction) m'a dit quand j'étais enfant, et je ne pouvais pas y croire: si le barrage Hoover avait juste une nappe d'eau verticale derrière lui, de quelques centimètres d'épaisseur (puis une paroi rocheuseou peu importe), mais à la même hauteur d'eau, elle devrait être exactement aussi forte qu'elle l'est maintenant, tenant tout le lac Mead.
Vous pouvez rechercher «cale sèche serrée» sur les images google pour des exemples;les paquebots et les pétroliers sont de forme plus proche du quai et ne peuvent donc avoir qu'un mètre ou moins autour d'eux.
@PeterA.Schneider * Est-ce * la même chose?Je sais que vous avez raison, mais intuitivement, cela ne me semble pas être le même principe.Je sais, l'intuition est un pauvre substitut à la physique!
Huit réponses:
mike stone
2018-12-16 20:13:07 UTC
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Oui, ça flotte.Et il a déplacé son "propre poids d'eau" en ce sens que si vous aviez rempli le conteneur d'eau et alors seulement abaissé le navire dans le conteneur, presque toute cette eau aurait été évacuée et estmaintenant ballotté sur le sol.

Merci, je comprends ce que vous dites: si nous remplissons la cuve jusqu'au sommet et que nous descendions ensuite dans le cuirassé, alors un cuirassé plein d'eau devrait être déplacé, ce qui se serait renversé par-dessus.Mais dans le scénario que je décris dans ma question, ce n'est pas ce qui se passe.Très peu d'eau est en fait déplacée, et pourtant le cuirassé finit toujours par flotter.Peut-être que je suis trop pédant ou littéral à propos du mot «déplacé» ...
@SlowMagic Fondamentalement, la force de flottabilité se produit parce que la pression de l'eau qui pousse le bateau sur le fond est supérieure à la pression de l'air qui le pousse vers le haut.La chose "l'eau déplacée" est juste un mnémonique pour le résultat de ce calcul, pas la loi elle-même.
@SlowMagic que "Tout objet flottant déplace son propre poids de fluide" est plus une analogie que tout ce qui ressemble de loin à une définition précise.La physique vous dit que si vous submergez quelque chose avec un volume de $ V $ dans l'eau, alors une force de $ F = \ rho_ {w} gh $ le poussera vers le haut ($ \ rho_ {w} $ étant la densité de l'eau, $ g$ l'accélération gravitationnelle).Qui, par hasard, est la même force que la Terre exercerait sur un volume d'eau de $ V $.Le déplacement ne doit absolument pas se produire.
@SlowMagic Un meilleur remplacement pour «eau déplacée» serait l'expression plus longue «le volume de l'objet dont la hauteur est inférieure au point le plus élevé de l'eau», qui fonctionne ici.Mais cela ne fonctionne pas non plus dans toutes les situations.La seule chose qui fonctionne toujours est d'allumer votre cerveau et d'utiliser $ F = ma $ à partir de zéro.
@SlowMagic Une autre façon de penser: remplissez la baignoire, laissez l'eau couler sur le sol pour que le cuirassé flotte dans la baignoire.Retirez le cuirassé.Notez la quantité d'eau dans la baignoire (et nettoyez le reste sur le sol).À un moment interminable dans le futur hypothétique, reconstruisez la baignoire avec autant d'eau en elle.Ajoutez un cuirassé.Aucune eau ne jaillira sur le bord, mais le navire flottera toujours même si aucune eau n'a été «déplacée à l'extérieur de la baignoire».Le surlosh est simplement que notre conteneur était trop petit pour supporter le déplacement, pas que l'eau devait claquer par-dessus le bord.
@Neinstein Je ne dirais pas que c'est par hasard que cela arrive.La force de flottabilité est directement liée à la quantité d'eau déplacée.Vous pouvez voir cela en pensant à la force de flottabilité sur une section «stationnaire» de l'eau dans une plus grande masse d'eau.Puisqu'il n'y a pas de force nette agissant sur cette eau, il faut que la force de flottabilité soit égale à ce poids d'eau.
@Aaron Stevens - En réalité, c'est que si vous prenez une petite section dy d'eau, la pression de l'eau en dessous est égale à la pression ci-dessus.Je ne suis pas sûr que ce soit un saut évident vers la solution intégrale.Surtout si l'objet n'est pas complètement submergé.
@TheLoneMilkMan C'est une belle façon de voir les choses, même si je ne sais pas pourquoi vous dites que ce dont je parle n'est pas la réalité ...
@Aaron Stevens - Je ne dis pas que votre explication n'est ni réelle ni fausse, mais je ne sais pas si c'est une conséquence évidente d'une analyse des forces impliquées.Il y a clairement des cas où l'explication simple ne peut pas être appliquée
@TheLoneMilkMan Dire que la force de flottabilité est due à la force nette due à la pression agissant sur un objet et dire qu'elle est égale au poids du fluide déplacé sont équivalents
@Draco18s: Vous pouvez également inverser l'image.Vous pouvez avoir une baignoire en forme de cuirassé avec seulement une petite quantité d'eau dans le fond.Lorsque vous ajoutez (lentement) le cuirassé, cette eau se déplace sur les côtés, jusqu'à ce qu'elle recouvre tout le côté de la baignoire de 3 cm d'épaisseur, soutenant le cuirassé.Pas de retombées.
Has QUIT--Anony-Mousse
2018-12-17 01:49:15 UTC
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Notez que l'eau n'a pas besoin d'être présente - ce calcul donne juste le moyen de calculer le volume non-eau occupé par l'objet flottant (c'est-à-direnon disponible pour l'eau).

Donc, dans votre exemple, supposons que vous mettez le navire dans le conteneur.Si vous l'avez rempli jusqu'au même niveau d'eau sans que le navire soit présent, c'est le déplacement causé par le navire.

  BBB
wBBBw wwwww w w
wBBBw contre wwwww PAS w w
wwwww wwwww wwwww
 

Dans cette esquisse, 6 w ont été "déplacés".

Par conséquent, votre exemple fonctionne même avec un petit espace.Vous pouvez affirmer que les machines hydrauliques fonctionnent avec 0 écart.Le piston est le bateau dans le cylindre.

J'aime le graphique ASCII ... Cependant, les machines hydrauliques sont une mauvaise analogie à mon humble avis: elles fonctionnent avec une pression dynamique fournie par une pompe plutôt que de compter sur la pression hydrostatique qui fait flotter un navire.Ils s'appuient également sur l'impossibilité du liquide de s'échapper, ce qui leur permet d'opérer en hauteur.N'essayez pas ça avec un bateau!
Farcher
2018-12-16 20:53:40 UTC
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Le USS Missouri 5,8 $ \ times 10 ^ 7 \, \ rm kg, \, 270 \, \ rm m $ long avec un tirant d'eau entièrement chargé de 11,5 $ \, \ rm m $ a une surface sous-marine supérieure à 270 $ \ fois 11,5 \ fois 2 \ approx 6200 \, \ rm m ^ 2 $ et doit "déplacer" 5,8 $ \ fois 10 ^ 7 \, \ rm kg $ de sel eau (densité $ \ approx 1020 \, \ rm kg \, m ^ {- 3} $ ) à flotter.

Supposons un réservoir sur mesure de sorte qu'une épaisseur d'eau uniforme (volume total 1 $ \, \ rm litre = 0,001 \, m ^ {- 3} $ ) entoure l'USS Missouri sous sa ligne de flottaison.
Cette épaisseur de la couche d'eau serait inférieure à $ \ frac {0,001} {6200} \ environ 1,6 \ fois 10 ^ {- 7} \ rm m $ .

Donc en théorie possible mais en pratique très peu probable.


Le PO a changé le titre de "1 litre" à "une petite quantité d'eau".
Il suffit de choisir un volume d'eau tel qu'il soit pratiquement possible de faire flotter l'USS Missouri dans un quai de forme appropriée et la couche d'eau de l'OP de 3 cm d'épaisseur pourrait être possible en pratique?

L'image dans cette réponse donne une idée d'un "manque apparent d'eau" pour faire flotter un navire.

J'ai édité le titre de la question pour ne pas me fixer sur une quantité spécifique d'eau.Je veux juste dire, une très petite quantité d'eau, beaucoup moins que le poids du cuirassé.
De plus, l'image n'est pas juste, car une énorme quantité d'eau est déplacée, c'est juste qu'elle est presque entièrement dispersée le long de la totalité de l'eau dans les deux sens, plutôt que juste directement autour du bateau.
BioPhysicist
2018-12-17 02:14:16 UTC
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Le problème réside uniquement dans votre «définition» des personnes déplacées. Quand nous disons "la force de flottabilité est égale au poids du fluide déplacé" (ce qui est plus vrai qu'il n'y paraît), déplacé ne signifie pas "combien de fluide déborde de notre conteneur" (sauf si nous avons commencé avec un conteneur plein).

Le fluide déplacé signifie en fait la quantité de fluide évacuée. Cela conduit à ce que quel que soit le volume de l'objet submergé sous la surface du fluide, il s'agit du volume du fluide déplacé. Si nous devions calculer le poids de ce volume d'eau, nous trouverions qu'il est égal à la force de flottabilité exercée sur l'objet.

Par conséquent, dans votre exemple, si le volume du bateau immergé donne un volume d'eau qui pèse le même poids que le bateau, alors le bateau flottera. Comment arriver à cette configuration finale n'a pas d'importance.

En guise de contre-exemple à l'utilisation de l'idée que l'eau s'écoule d'un conteneur, imaginez simplement un bateau dans l'océan, où aucune eau ne s'écoule d'un conteneur, mais le bateau flotte toujours.

Stilez
2018-12-17 13:47:40 UTC
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Comme d'autres réponses l'ont dit, le problème vient d'une mauvaise compréhension du terme "déplacé".

Imaginez que vous vous allongez dans une baignoire. Maintenant, vous remplissez le bain jusqu'à ce qu'il recouvre vos jambes et votre corps (pas votre tête). Votre corps est très légèrement moins dense que l'eau, vous pouvez donc flotter légèrement - peut-être seulement quelques mm, pas beaucoup, et probablement toujours en train de toucher les côtés et le fond de la baignoire.

Il n'y a jamais eu d'eau là où se trouve votre corps. L'eau remplissait la baignoire autour de vous.

Ensuite, l '"eau déplacée" est l'eau qui aurait été dans la baignoire, si votre corps avait disparu et que suffisamment d'eau avait été ajoutée pour maintenir le niveau de surface de l'eau au même niveau.

Ce qu'Archimède nous dit que, si la baignoire était si grande que vous avez flotté (sans bouger) et que vous ne touchiez ni les côtés ni le fond, alors le niveau de votre corps dans l'eau est réglé au niveau qui le déplace masse d'eau. Cette eau "manquante" n'a pas besoin d'être là à l'origine (voir la définition ci-dessus).

En allant dans l'autre sens, imaginez que je taille la baignoire jusqu'à ce qu'elle soit à 1/2 pouce de votre corps dans toutes les directions, et que vous flottiez toujours. La quantité d'eau est infime. Ce qui compte, c'est (comme ci-dessus) parmi les eaux "manquantes" où se trouve votre corps, qui serait sous le niveau de la surface de l'eau. Pas l'eau restante autour de vous dans le bain.

Sur le bit «trim the bath»: Imaginez un cuirassé cubique idéalisé flottant dans un quai peu profond, à 3 cm du fond.Ensuite, faites glisser les murs à 3 cm de chaque bord et soudez / scellez-les pour qu'ils soient étanches.Le cuirassé flotte-t-il toujours?Ensuite, * retirez le cuirassé * - combien d'eau reste-t-il dans votre nouvelle boîte?Ensuite, ** doucement ** remplacez le cuirassé - est-ce qu'il recommence à flotter?
Cort Ammon
2018-12-17 02:36:24 UTC
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La question que vous posez est bonne et courante.Le libellé du principe d'Achimède que vous utilisez est le plus approprié dans les situations où vous avez une grande masse d'eau par rapport à la taille du bateau, de sorte que vous n'augmentez pas sensiblement le niveau de l'eau.

La formulation mathématique complète du principe est vraie dans toutes ces situations.

Si votre bateau augmente significativement le niveau de l'eau, comme il doit le faire dans votre exemple, vous devez faire de la gymnastique mentale avec la définition de «déplacer» pour arriver à la bonne réponse.Cela ne veut pas dire que le principe d'Archimède est faux, mais simplement que la formulation informelle devient un peu difficile à appliquer.La version formelle, impliquant le déplacement de l'eau vers le haut contre l'attraction de la gravité, ne se heurte pas à de telles complications.

Mads Aggerholm
2018-12-17 22:56:32 UTC
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Pour les intéressés, voici une petite illustration que j'ai faite une fois, pour défendre quelqu'un qui s'appelle «Marilyn vos Savant».
Je ne croyais pas ce que les gens avaient écrit contre sa déclaration, à propos d'un cuirassé flottant dans un seau d'eau.
Je suis très heureux de voir que tout le monde ici sait ce qui est juste.
Voici l'illustration:

Battleship

Belle illustration!
user217348
2018-12-17 20:06:06 UTC
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Lorsque le cuirassé est placé dans la baignoire géante, l'eau le long des côtés monte à une hauteur, h.Cela produit une pression = densité de l'eau x 9,8 x h dans la mince couche d'eau sous le navire.Cette pression x la surface du fond du navire est égale au poids du navire, donc il flotte.Si, au lieu d'une baignoire géante, nous plaçons le navire dans l'océan, h n'est pas atteint par la montée de l'eau, mais par le navire descendant à une profondeur d'équilibre (espérons-le moins que la distance entre le fond du navire et le pont).



Ce Q&R a été automatiquement traduit de la langue anglaise.Le contenu original est disponible sur stackexchange, que nous remercions pour la licence cc by-sa 4.0 sous laquelle il est distribué.
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