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Niveau terminale
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poussée d'archimede, soulever un homme avec des ballons

Posté par
yvanine
05-09-14 à 20:47

Bonsoir, je dois travailler sur cette question :
Combien faut il de ballons d'hélium pour soulever un homme de 80kg ?

j'ai réunis ces quelques informations, je ne sais pas si elles sont toutes juste
Je voudrais bien des explications sur la poussée d'Archimède dans ce cas la
Je ne sais pas vraiment quel démarche adopter
il faut que la poussée de l'hélium soit supérieur à celle de l'air pour soulever le corps non ?

M = 80 kg
p=800 N
V=4/3*pi*r³ avec r=20
Volume d'hélium dans un ballon = 33510,3 cm³ ? c'est en litre ? je ne sais pas trop pour l'unité
Masse volumique de l'hélium = 0,138 à 15°c pour ces données c'est internet aussi, je n'ai aucune données dans l'énoncée.
masse volumique de l'air = 1,292
Pa= p*v*g avec g = 9,8
J'aimerais bien que l'on me mette sur la piste en m'expliquant le principe sans forcement me donner la réponse
merci d'avance a ceux qui m'aideront !

Posté par
TheBartov
re : poussée d'archimede, soulever un homme avec des ballons 05-09-14 à 21:24

Bonsoir !

Bon alors, Archimède a dit que :
\text{EURÊKA !!}

mais aussi :

Tout corps de volume V_c, plongé dans un fluide de masse volumique \rho_f, sera soumis à une force opposée à son propose poids et de nom \rho_f \times g \times V_c , c'est la poussée d'Archimède.
Fait cette expérience de pensé : suppose un milieu rempli d'air . Ajoutes-y un ballon rempli d'Hélium. Les forces agissant sur le ballon sont :
  1. le poids d'He
  2. la poussée d'Archimède à cause du volume d'air déplacé par le ballon.

Notons P le poids d'un ballon (orienté vers le bas), et notons \Pi la poussée d'Archimède (orientée vers le haut). On a :

P=\rho_{He}gV_{ballon}
 \\ \Pi=\rho_{fluide}gV_{fluide}=\rho_{air}gV_{air}

Tu fais les applications numériques (normalement \Pi > P ), et tu peux calculer le poids apparent du ballon, noté P_A = \Pi - P.

Ensuite, tu dis qu'il fait n ballons pour soulever un homme, donc tu fais :

nP_A>P_{Homme}

Ainsi, il faut au moins

n>\frac{P_{Homme}}{P_A}

Si tu n'aimes pas les calculs intermédiares :

n>\frac{M}{V(\rho_{He}-\rho_{air})}

(Simplification par g et mise de V enfacteur).

Note : il se peut que j'ai fait une faute dans l'écriture du LaTex... :/ Mais as tu compris le principe ?

dernière chose : souvient toi que 1m3=1000 L !!

Posté par
yvanine
re : poussée d'archimede, soulever un homme avec des ballons 05-09-14 à 21:37

alors d'abord, merci d'avoir répondu aussi vite !
je vais essayer de résumer la démarche vous pourrez me dire si c'est bon ?
on a un ballon qui est soumis a deux forces, son poids qui le tire vers le bas et la poussé d'Archimède qui le tire vers le haut
Pour que le ballon flotte il faut que la poussée d'Archimède soit supérieur au poids
Pour calculer le poids du ballon on a une formule : P= masse volumique de l'air * g * volume d'air
P=1,2*9,8* volume d'air, comment je le connais ? :/
pour calculer la poussée d'Archimède on applique PA = masse volumique de l'hélium * g * volume du ballon
PA= 0,138*9,8*33,5 = 45,3 N
jusqu'ici c'est bon ?

Posté par
TheBartov
re : poussée d'archimede, soulever un homme avec des ballons 05-09-14 à 21:57

De rien

Alors non, le ballon est rempli d'He, donc son poids c'est Pballon=HegVballon. Ensuite, la poussée d'A. est le poids d'air déplacé par le ballon : PA=airgVballon.

Le reste est bon

Posté par
yvanine
re : poussée d'archimede, soulever un homme avec des ballons 05-09-14 à 22:04

Ah mince je me suis embrouillée alors
donc on calcule le poids du ballon avec 0,138*9,8*33,5 ce qui donne 45,3 N
et le poids d'air déplacée ( je visualise un peu mieux petit a petit ) PA= 1,2*9,8*33,5 ce qui donne 393,9 N
mais du coup c'est énorme non, enfin je me suis planté encore ?  

Posté par
TheBartov
re : poussée d'archimede, soulever un homme avec des ballons 05-09-14 à 22:16

Le 33,5 est donné en quoi ? En litres ? Si oui, il faut convertir en m3 pour obtenir des Newton.

Posté par
yvanine
re : poussée d'archimede, soulever un homme avec des ballons 05-09-14 à 22:27

ah, je l'ai convertit en litre oui
donc P= 45305 et PA = 393960
la c'est bon, ( je viens de voir que ceux sont les résultats que j'avais trouvé au brouillon avant de poster le message sur le forum ^^')
alors maintenant je connais la force qui doit être dépassée, c'est  45305 pour que le ballon flotte
maintenant il faut trouver le nombre de ballon, n
n > PHomme / PA
n > 800/393960
n > 0,002 c'est bizarre comme valeur

Posté par
TheBartov
re : poussée d'archimede, soulever un homme avec des ballons 05-09-14 à 22:43

Je reprends :

\rho_\{He}=0.138 \text{kg}\cdot \text{m}^-3}
\rho_\{air}=1.2 \text{kg}\cdot \text{m}^-3}
V_\{He}=\frac{4}{3}\pi(20.10^-2)=0,0335\text{m}^3}

Donc pour le ballon :

P_{ballon}=P_{He}=\rho_\{He}gV_{ballon}=0.138 \times 9.81 \times 0.0335 =45,35 \text{mN}

Archimède :

\Pi=\rho_\{air}gV_{ballon}=1.2 \times 9.81 \times 0.0335 = 394,36 \text{mN}

Poids apparents :

\P_A=\Pi-P=349,01 \text{mN}

Pour le mec :

P_H=Mg=80 \times 9.81= 784,8 \text{N}

Conclusion :

Il faut que (soit n le nombre de ballons) nP_A>P_H, soit

n>\frac{P_H}{P_A}=\frac{784.8}{349.01 \cdot 10^-3}=2 248,64 \text{ballons}

Or n+* donc il faut au mois 2 249 ballons.

Ces calculs sont à vérifier...

Posté par
TheBartov
re : poussée d'archimede, soulever un homme avec des ballons 05-09-14 à 22:43

l'avant-avant dernière ligne n'est pas passée :

n>\frac{P_H}{P_A}=\frac{784.8}{349.01 \cdot 10^-3}=2 248,64 \text{ballons}

Posté par
TheBartov
re : poussée d'archimede, soulever un homme avec des ballons 05-09-14 à 22:45

* il y a un "cube" qui manque dans la formule de V. Mais je ne l'ai pas oublié dans le calcul.

Posté par
yvanine
re : poussée d'archimede, soulever un homme avec des ballons 05-09-14 à 23:02

c'est le poids apparents que j'avais zappé, je pense que c'est pour ça que mes résultats étaient faux ( en tout cas ça fait parti des raisons )
du coup La poussée d'Archimède s'exerce vers le haut, c'est la conséquence du volume d'air déplacé
le poids s'exerce vers le bas
Pour qu'un corps flotte il faut que la poussée d'Archimède soir supérieur au poids
concrètement le poids apparent du ballon ça correspond a quoi ? je ne visualise pas bien la chose
On calcule donc le poids du ballon avec masse volumique de l'hélium*g*Vballon => 0,138*9,81*33,5 = 45,35 ( on met mN par ce que c'est des mili newton ? par ce qu'on a le volume en L ? )
On calcule ensuite la poussée d'Archimède masse volumique de l'air * g * VBallon => 1,2*9,81*33,5= 394,36mN

à partir de ces deux données on calcule le poids apparent du ballon soit PArch-P = 394,36-45,35 = 349,01mN

Pour un homme de 80 kg, il faut que le nombre n de ballons soit supérieur au poids de l'homme soit 80*9,81 = 784,8. on applique nPA>Ph
on pose donc n=Ph/PA
n> 784,8/349,01
n> 2,248 environ
puisque les forces sont en mN on multiplie par 10^3 et on obtient des N et donc une valeur de n > 2248
il faut donc 2249 ballons

Posté par
yvanine
re : poussée d'archimede, soulever un homme avec des ballons 05-09-14 à 23:04

Je pense avoir compris ! je réessaierai demain pour voir si c'est bon
Merci beaucoup pour les explications, les corrections et la patience !
Je vous souhaite une bonne soirée et peut être à bientôt
ce fut un plaisir   

Posté par
TheBartov
re : poussée d'archimede, soulever un homme avec des ballons 05-09-14 à 23:08

Enfait, le poids apparent tu le remarques quand tu vas dans l'eau de la piscine : tu te sens plus léger. Le poids apparent, c'est le poids que tu que calcules en te pesant dans l'eau. On peut aussi dire "poids ressenti" si tu préfères

J'ai mis mN pour ne pas avoir le 10-3 à traîner à chaque fois ! Oui, je suis un feignasse. Et j'assume ! ^^

Et oui, c'est bien ça ! Mais n'attends pas le dernier moment pour multiplier pas 103 ! Inclus le tout de suite dans la formule, comme moi ! Au moins, tu ne risques pas de l'oublier.

Voilà, voilà... d'autres questions ?

Posté par
yvanine
re : poussée d'archimede, soulever un homme avec des ballons 05-09-14 à 23:12

d'accord pour le poids apparent,
j'adore résoudre des exercices comme ça, mais je ne suis pas douée surtout en physique ^^
j'ai du mal à m'y retrouver
pas de questions qui me viennent a l'esprit pour ce soir
ou si juste de la curiosité mal placée,  vous faites des études en rapport avec la physique chimie ou c'est juste une passion ?

Posté par
TheBartov
re : poussée d'archimede, soulever un homme avec des ballons 05-09-14 à 23:30

Moi aussi j'étais brouillon au lycée avec la physique. Mais c'est avec le temps que ça rentre et qu'on s'y fait...et finalement en Term j'ai réussit à dompter cette matière au langage si poétique x)

Haha ! Ce n'est pas mal placé du tout. Ben les deux ! La physique, c'est ma passion ; et je suis actuellement en 3ème année de Licence Physique et Chimie (à la FST de Nancy, au passage). Par contre, je suis entrain de me spécialiser en physicien pur.

Et toi, tu vises quoi pour le post-bac ? Une fac de physique, j'espère

Posté par
yvanine
re : poussée d'archimede, soulever un homme avec des ballons 05-09-14 à 23:35

J'espère réussir a la dompter alors ^^
Je suis en terme scientifique avec spé physique chimie et je ne suis pas si ambitieuse, je veux "juste" entrer en école de Kiné pour devenir kinésithérapeute et le concours d'entrée c'est de la bio de la physique et de la chimie ^^ donc je boss très sérieusement ces trois matières

Posté par
TheBartov
re : poussée d'archimede, soulever un homme avec des ballons 05-09-14 à 23:40

Eh bien, je te souhaite bon courage ! Poursuit ton rêve Bonne chance pour la terminale et bonne soirée à toi !

Posté par
yvanine
re : poussée d'archimede, soulever un homme avec des ballons 05-09-14 à 23:41

Merci beaucoup, bon courage a vous aussi !
Bonne soirée



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