Guide révision Physique-Chimie Terminale – Modélisation de l’écoulement d’un fluide
Guide révision Physique-Chimie Terminale

Modélisation de l’écoulement d’un fluide

Poussée d’Archimède, pression dans un fluide au repos, conservation du débit volumique, relation de Bernoulli et effet Venturi.

Physique – Mouvement et interactions

En résumé

La modélisation de l’écoulement d’un fluide permet de décrire les forces exercées par un fluide au repos et les grandeurs qui évoluent lorsqu’un fluide s’écoule. La poussée d’Archimède explique la flottabilité, la conservation du débit relie section et vitesse, et la relation de Bernoulli relie pression, vitesse et altitude.

Fluide au reposLa pression augmente avec la profondeur et exerce une force pressante sur les surfaces.
Poussée d’ArchimèdeUn corps immergé reçoit une force verticale vers le haut égale au poids du fluide déplacé.
Débit volumiqueDans un écoulement permanent incompressible, Dv = S × v se conserve.
BernoulliLe long d’une ligne de courant, pression, vitesse et altitude sont liées.

Ce qu’il faut savoir faire

  • Définir un fluide au repos et la pression exercée sur une surface.
  • Utiliser la relation F = P × S pour calculer une force pressante.
  • Appliquer la loi fondamentale de la statique des fluides.
  • Calculer une poussée d’Archimède et prévoir si un objet flotte ou coule.
  • Définir et calculer un débit volumique.
  • Utiliser la conservation du débit dans un fluide incompressible.
  • Appliquer la relation de Bernoulli entre deux points d’une ligne de courant.
  • Interpréter l’effet Venturi dans un rétrécissement.

1. Vu en 1re : le fluide au repos

Un fluide au repos exerce une force pressante sur toute surface avec laquelle il est en contact. Cette force est perpendiculaire à la surface. La pression P est définie par :

P = F / S

La pression s’exprime en pascal Pa. On rencontre aussi le bar, avec 1 bar = 10⁵ Pa.

Dans un fluide immobile de masse volumique ρ, la pression augmente avec la profondeur. Entre deux points A et B :

PA − PB = ρg(zB − zA)
Fluide au repos : pression et force pressante pression plus grande en profondeur P faible z Loi fondamentale PA − PB = ρg(zB − zA) Dans un fluide au repos, la pression augmente avec la profondeur. F = P × S
À bien comprendre : à altitude plus basse dans un liquide, la pression est plus grande. C’est pour cela que la pression ressentie augmente quand on plonge plus profondément.

2. La poussée d’Archimède

La poussée d’Archimède est la force exercée par un fluide sur un corps immergé totalement ou partiellement. Elle est verticale, dirigée vers le haut, et sa valeur correspond au poids du fluide déplacé.

Π = ρfluide × Vimmergé × g
La poussée d’Archimède Force exercée par le fluide poussée Π poids P Π = ρfluide Vimmergé g ρfluide : masse volumique du fluide Vimmergé : volume de fluide déplacé g : intensité de la pesanteur La poussée est verticale, dirigée vers le haut. Un corps immergé reçoit une force opposée au poids du fluide déplacé.

Flottabilité

Pour prévoir si un objet flotte, descend ou reste en équilibre, on compare son poids P et la poussée d’Archimède Π :

Π > P

L’objet remonte vers la surface.

Π = P

L’objet peut rester en équilibre dans le fluide.

Π < P

L’objet descend vers le fond.

À retenir : la poussée dépend du fluide et du volume immergé, pas directement de la masse de l’objet.

Activité expérimentale : vérifier la poussée d’Archimède

On peut mesurer le poids apparent d’un objet suspendu à un dynamomètre dans l’air puis lorsqu’il est immergé dans l’eau. La diminution de la valeur mesurée correspond à la poussée d’Archimède exercée par le fluide.

1. Mesurer dans l’air

On mesure le poids réel de l’objet avec un dynamomètre.

2. Immerger

On plonge l’objet dans un liquide sans toucher le fond ni les parois.

3. Comparer

La différence entre les deux valeurs donne la poussée d’Archimède.

Π = Pair − Papparent
Exploitation : si l’on connaît le volume déplacé, on peut comparer la valeur expérimentale à ρVg.

3. La conservation du débit volumique

Un fluide s’écoule en régime permanent si les grandeurs qui décrivent l’écoulement ne changent pas au cours du temps en un point donné. Le débit volumique correspond au volume de fluide traversant une section par unité de temps :

Dv = V / Δt

Si le fluide traverse une section S avec une vitesse moyenne v :

Dv = S × v

Pour un fluide incompressible en régime permanent, le débit volumique se conserve entre deux sections :

S1v1 = S2v2
Conservation du débit volumique S₁ grande S₂ petite v₁ plus faible v₂ plus grande Dv = V/Δt = S × v S₁v₁ = S₂v₂ si le fluide est incompressible.
Conséquence : si la section diminue, la vitesse du fluide augmente pour conserver le débit.

4. La relation de Bernoulli

La relation de Bernoulli s’applique à un fluide incompressible en écoulement permanent, sans frottement significatif, le long d’une même ligne de courant. Elle traduit une conservation d’énergie mécanique par unité de volume.

1/2 ρv² + ρgz + P = constante

Entre deux points A et B d’une ligne de courant :

1/2 ρvA² + ρgzA + PA = 1/2 ρvB² + ρgzB + PB
Relation de Bernoulli Point A Point B zAzB 1/2 ρv² + ρgz + P = constante fluide incompressible, écoulement permanent, sans frottements Si la vitesse augmente, la pression peut diminuer.

Interprétation des termes

1/2 ρv²

Terme lié à l’énergie cinétique volumique du fluide.

ρgz

Terme lié à l’énergie potentielle de pesanteur par unité de volume.

P

Terme lié à la pression du fluide.

Cas d’un tube horizontal

Si l’écoulement est horizontal, les altitudes sont identiques et les termes ρgz se compensent. Ainsi, une augmentation de vitesse s’accompagne d’une diminution de pression.

Effet Venturi section large : vitesse plus faible, pression plus forte rétrécissement : vitesse plus grande, pression plus faible
Effet Venturi : dans un rétrécissement, la vitesse augmente et la pression diminue. Ce principe intervient dans de nombreux dispositifs : vaporisateurs, débitmètres, écoulements dans des conduites.

Mots-clés à connaître

Ces notions seront reliées au lexique Physique-Chimie dès que la page lexique sera créée.

fluidefluide au repospressionforce pressantepascalbarmasse volumiquepoussée d’Archimèdevolume immergépoidséquilibre verticalloi fondamentale de la statique des fluidesdébit volumiqueécoulement permanentfluide incompressibleligne de courantvitesse d’écoulementsectionconservation du débitrelation de Bernoullipression statiqueénergie cinétique volumiqueénergie potentielle volumiqueeffet Venturitube horizontalmanomètredynamomètre

Carte mentale de synthèse

Modélisation de l’écoulement d’un fluide
Fluide au reposPression, force pressante, loi fondamentale de la statique des fluides.
ArchimèdeΠ = ρVg, verticale vers le haut, poids du fluide déplacé.
DébitDv = V/Δt = Sv.
ConservationS₁v₁ = S₂v₂ pour un fluide incompressible.
Bernoulli1/2ρv² + ρgz + P = constante.
VenturiSection plus petite → vitesse plus grande → pression plus faible.

Méthode express

1. IdentifierFluide au repos, objet immergé ou écoulement.
2. ChoisirArchimède, débit, statique des fluides ou Bernoulli.
3. Convertirm³, m², Pa, kg·m⁻³, m·s⁻¹.
4. InterpréterComparer forces, pressions, vitesses ou débits.
Phrase modèle :
Le fluide est supposé incompressible et l’écoulement permanent. On peut donc utiliser la conservation du débit volumique et, si les frottements sont négligeables, la relation de Bernoulli entre deux points d’une même ligne de courant.

Erreurs fréquentes

Confondre pression et force pressante.La pression est une force par unité de surface : P = F/S.
Oublier que la poussée d’Archimède dépend du volume immergé.Un objet partiellement immergé ne déplace pas son volume total.
Utiliser la masse volumique du solide dans la formule d’Archimède.La formule Π = ρVg utilise la masse volumique du fluide déplacé.
Oublier les unités de section.La section doit être en m² si le débit est en m³·s⁻¹.
Appliquer Bernoulli sans vérifier le contexte.Il faut un écoulement permanent, un fluide incompressible et des frottements négligeables.
Inverser l’effet Venturi.Dans une section plus petite, la vitesse augmente et la pression diminue.

QCM interactif

Clique sur une réponse : la case devient verte si c’est juste, rouge si c’est faux.

1. La poussée d’Archimède est une force…

2. La valeur de la poussée d’Archimède dépend notamment…

3. La relation de la poussée d’Archimède est…

4. Dans un fluide au repos, la pression…

5. La force pressante sur une surface S s’écrit…

6. Un débit volumique peut s’écrire…

7. Dans un écoulement permanent incompressible, le débit volumique…

8. Si un tube se rétrécit et que le débit se conserve, la vitesse du fluide…

9. La relation de Bernoulli s’applique notamment à un fluide…

10. Dans la relation de Bernoulli, le terme 1/2 ρv² correspond…

11. L’effet Venturi correspond à…

12. La loi fondamentale de la statique des fluides relie…

Mini-entraînement

Essaie d’abord de répondre seul, puis clique sur Soluce.

Exercice 1

Un objet déplace 2,0×10⁻³ m³ d’eau. Calculer la poussée d’Archimède avec ρeau = 1000 kg·m⁻³ et g = 9,81 N·kg⁻¹.

Correction : Π = ρVg = 1000 × 2,0×10⁻³ × 9,81 = 19,6 N environ.

Exercice 2

Un liquide traverse une section S = 4,0×10⁻⁴ m² à la vitesse v = 2,5 m·s⁻¹. Calculer le débit volumique.

Correction : Dv = Sv = 4,0×10⁻⁴ × 2,5 = 1,0×10⁻³ m³·s⁻¹.

Exercice 3

Dans une conduite, S₁ = 8,0×10⁻⁴ m² et v₁ = 1,5 m·s⁻¹. La section devient S₂ = 3,0×10⁻⁴ m². Déterminer v₂.

Correction : S₁v₁ = S₂v₂ donc v₂ = S₁v₁/S₂ = 8,0×10⁻⁴ × 1,5 / 3,0×10⁻⁴ = 4,0 m·s⁻¹.

Exercice 4

Dans un tube horizontal, l’eau passe d’une zone large à une zone étroite. Comment évoluent la vitesse et la pression ?

Correction : par conservation du débit, la vitesse augmente dans la zone étroite. D’après Bernoulli en tube horizontal, la pression diminue : c’est l’effet Venturi.

Exercice 5

Une force pressante de 250 N s’exerce sur une surface de 0,050 m². Calculer la pression.

Correction : P = F/S = 250 / 0,050 = 5,0×10³ Pa.

Conclusion : ce chapitre repose sur trois grands réflexes : comparer les forces, conserver le débit et relier pression-vitesse-altitude avec Bernoulli.
Idée-force à mémoriser

Dans un fluide, les forces de pression expliquent la poussée d’Archimède ; dans un écoulement, la conservation du débit et Bernoulli permettent de prévoir vitesse et pression.