How Submarines Sink and Float

Zahra regardait un énorme porte-conteneurs glisser sur la baie de San Francisco. Le phénomène de la flottabilité est à l'œuvre, maintenant ce géant à flot. Mais comment ? Il semble impossible que quelque chose d'aussi lourd puisse flotter sur l'eau. En fait, certains porte-conteneurs sont plus longs que l'Empire State Building n'est haut ! Fait : La flottabilité d'un porte-conteneurs dépend de la forme de sa coque et du volume d'eau qu'il déplace. Ce principe permet à des navires plus longs que l'Empire State Building de flotter malgré un poids de centaines de milliers de tonnes !

De retour à la maison, à Noe Valley, Zahra prenait un bain avec son sous-marin jouet quand celui-ci coula au fond. Elle se demanda pourquoi les navires massifs flottaient mais pas son petit jouet. Elle demanda à son père, qui lisait un livre sur le canapé : « Papa, pourquoi les grands navires flottent-ils, mais mon sous-marin coule-t-il ? » demanda-t-elle, perplexe. « C'est une excellente question, Zahra ! » répondit son père. « Tout se résume à quelque chose appelé la flottabilité. Nous allons devoir enquêter. » Fait : Fait amusant : La lumière met huit minutes et vingt secondes pour voyager du Soleil à la Terre. C'est peut-être pour cela qu'il semble que l'eau du bain met une éternité à refroidir !

Le père de Zahra a sorti un carnet et a dit : « Regardons ce qu'Archimède a découvert il y a longtemps. » Il a ouvert le livre à une page sur Archimède et a dit : « "Eurêka !" comme Archimède l'a célèbrement crié lorsqu'il a découvert le principe de la flottabilité. Cela a changé à jamais notre compréhension des objets flottants, comme les navires. » « Archimède était un mathématicien, physicien, ingénieur, inventeur et astronome grec », a expliqué le père de Zahra. « Il a vécu il y a plus de deux mille ans. Son principe explique comment les objets flottent ou coulent. » Fait : Le principe d'Archimède, formulé dans la Grèce antique, est encore fondamental pour l'architecture navale aujourd'hui.

Le père de Zahra commença à expliquer : « Imagine un sous-marin posé sur une balance, mais sous l'eau. Maintenant, imagine un volume d'eau égal également sur cette balance, mais pas sous l'eau. Le poids de ce volume d'eau est la force de flottabilité qui pousse le sous-marin vers le haut ! » Il lui montra un diagramme dans son carnet. « La clé est le déplacement », dit-il. « Un objet flotte si la force de flottabilité — le poids de l'eau qu'il déplace — est supérieure à son propre poids. Et cela signifie que la densité globale est inférieure à celle de l'eau ! » Zahra commença à comprendre. Fait : La densité est la masse par unité de volume. Si un objet est moins dense que l'eau, il flotte ; sinon, il coule. Les navires sont conçus pour maximiser leur volume par rapport à leur masse.

Son père a montré à Zahra comment un sous-marin pouvait modifier sa flottabilité. « Les sous-marins ont des ballasts », a-t-il expliqué. « En les remplissant d'air, le sous-marin déplace moins d'eau, ce qui le rend plus léger et lui permet de remonter. En les remplissant d'eau, il en déplace plus, ce qui fait couler le sous-marin. » Il a dessiné un schéma d'un sous-marin avec des ballasts se remplissant d'eau et d'air. « Vois-tu comment les flèches représentant la force de flottabilité changent ? » a-t-il demandé. Fait : Les sous-marins contrôlent leur profondeur en ajustant la quantité d'eau et d'air dans leurs ballasts, modifiant ainsi leur densité globale.

Pour le démontrer, le père de Zahra l'a emmenée à l'école intermédiaire Everett où monsieur Harris, le professeur de sciences, leur a montré un modèle de sous-marin. Il a pompé de l'air dans les ballasts, et le modèle est remonté à la surface d'un réservoir. Ensuite, il a laissé entrer l'eau, et le sous-marin a coulé. « C'est ainsi que les sous-marins explorent les profondeurs de l'océan, » a expliqué monsieur Harris. « Ils changent leur densité pour plonger et remonter à la surface ! » Fait : Les ballasts ont été essentiels à l'invention du premier véritable sous-marin par Cornelius Drebbel au dix-septième siècle, bien que sa conception fût assez différente des sous-marins modernes.

Zahra imaginait un vrai sous-marin, un navire de recherche en haute mer, explorant la fosse des Mariannes, la partie la plus profonde de l'océan. Elle voyait le sous-marin naviguer silencieusement dans les eaux sombres, ses lumières illuminant d'étranges et merveilleuses créatures. Elle pensa : « Sans comprendre la flottabilité et la densité, nous ne pourrions pas explorer ces endroits incroyables ! » Fait : La fosse des Mariannes est si profonde que le mont Everest pourrait y être submergé et qu'il y aurait encore plus d'un mille d'eau au-dessus de son sommet.

De retour à la maison, Zahra observa d'autres exemples de flottabilité. Elle vit une montgolfière s'élever dans le ciel, un bateau flotter sur la baie, et même elle-même flotter dans la piscine. « La flottabilité est partout ! » s'exclama-t-elle à sa mère en regardant la montgolfière dériver. Fait : Les montgolfières flottent parce que l'air chauffé est moins dense que l'air plus froid. Cette différence de densité crée une force de flottabilité qui soulève le ballon.

Son père, un homme calme, réfléchi et amical d'une quarantaine d'années, portant des lunettes, une barbe courte et soignée, des cheveux courts et foncés légèrement grisonnants aux tempes, vêtu d'un pull confortable, d'un pantalon décontracté et de mocassins, lui montra une image d'iceberg. « Même quelque chose d'aussi massif qu'un iceberg flotte parce que la glace est moins dense que l'eau », expliqua-t-il. « Mais seulement environ dix pour cent d'un iceberg est visible au-dessus de la surface. » Zahra était stupéfaite. « Donc, la majeure partie de l'iceberg est cachée sous l'eau ? » Fait : Les icebergs flottent parce que la glace est moins dense que l'eau liquide, une propriété unique due aux liaisons hydrogène. Cela permet à la vie marine de prospérer même dans des conditions de gel.

Zahra sourit, comprenant maintenant pourquoi son sous-marin jouet coulait tandis que d'énormes navires flottaient. En comprenant les principes de la flottabilité, nous pouvons concevoir des machines incroyables, explorer les profondeurs de l'océan et même comprendre pourquoi les icebergs flottent. « Elle réalisa, « La science nous aide à comprendre le monde qui nous entoure, du plus petit jouet au plus grand navire ! » » Fait : Comprendre la flottabilité nous permet de concevoir des navires, des sous-marins, des montgolfières, et même de prédire le comportement des icebergs, nous aidant à naviguer et à explorer notre monde plus sûrement et plus efficacement.