Un plongeur de masse 70 kg est suspendu à un ressort vertical (k = 2000 N/m) et immergé dans l’eau. Calculer l’allongement du ressort.
Solution :
\[ \text{Équilibre : } T + Π = P \]
\[ k \times ΔL + ρ_{eau} \times V \times g = m \times g \]
\[ \text{Volume du corps : } V ≈ \frac{m}{ρ_{corps}} ≈ 0.07\ \text{m}^3 \]
\[ ΔL = \frac{m \times g – ρ_{eau} \times V \times g}{k} ≈ \frac{686 – 686}{2000} = 0\ \text{m} \]
Le plongeur est en flottabilité neutre!
Exercice 7 : Ballon gonflé à l’hélium
Un ballon sphérique (diamètre 30 cm) est gonflé à l’hélium (ρ = 0.18 kg/m³). Calculer la force ascensionnelle nette (ρair = 1.2 kg/m³).
Solution :
\[ V = \frac{4}{3}πr^3 ≈ 0.0141\ \text{m}^3 \]
\[ Π = ρ_{air} \times V \times g ≈ 0.166\ \text{N} \]
\[ P = ρ_{He} \times V \times g ≈ 0.025\ \text{N} \]
\[ F_{asc} = Π – P ≈ 0.141\ \text{N} \]
Exercice 8 : Ressort incliné
Un ressort (k = 100 N/m) est fixé à un plan incliné à 30°. Une masse de 2 kg est accrochée et s’immobilise avec un allongement de 10 cm. Calculer les forces en jeu.
Solution :
\[ P_x = m \times g \times \sin(30°) = 9.81\ \text{N} \]
\[ T = k \times Δx = 100 \times 0.1 = 10\ \text{N} \]
À 1.9% près, T ≈ Px (les frottements expliquent la différence)
Exercice 9 : Corps flottant
Un corps de volume 500 cm³ et masse 400 g flotte dans un liquide inconnu. Déterminer la densité du liquide.
Solution :
\[ \text{Équilibre : } Π = P \]
\[ ρ_{liq} \times V_{imm} \times g = m \times g \]
\[ \text{Comme il flotte : } V_{imm} < V \]
\[ \text{Si complètement immergé : } ρ_{liq} = \frac{m}{V} = 800\ \text{kg/m}^3 \]
Donc ρliq > 800 kg/m³
Exercice 10 : Système ressort-poulie
Un ressort (k = 80 N/m) est fixé au sol. Une corde passe dans une poulie et relie le ressort à un cube de bois (10 cm d’arête, ρ = 600 kg/m³) immergé à moitié. Calculer l’allongement du ressort.
Solution :
\[ V = 0.1^3 = 0.001\ \text{m}^3 \]
\[ P = ρ_{bois} \times V \times g = 5.886\ \text{N} \]
\[ Π = ρ_{eau} \times \frac{V}{2} \times g = 4.905\ \text{N} \]
\[ T = P – Π = 0.981\ \text{N} \]
\[ Δx = \frac{T}{k} ≈ 0.0123\ \text{m} = 1.23\ \text{cm} \]