Quel phénomène physique explique pourquoi un objet flotte dans l'eau ?

Un objet flotte dans l’eau grâce à la poussée d’Archimède. Cette force est exercée vers le haut par l’eau sur toute partie immergée d’un objet. Elle s’oppose à son poids, qui l’attire vers le bas. Selon le principe d’Archimède, la poussée est égale au poids du volume d’eau déplacé par la partie immergée. La flottaison dépend donc de l’équilibre entre ces deux forces, et non du seul matériau dont l’objet est constitué.

Une différence de pression à l’origine de la poussée

Dans l’eau, la pression augmente avec la profondeur. La partie inférieure d’un objet immergé subit ainsi une pression plus élevée que sa partie supérieure. Les forces de pression exercées sur les côtés se compensent en grande partie, tandis que cette différence entre le bas et le haut produit une force résultante dirigée vers le haut : la poussée d’Archimède. Plus le volume immergé est important, plus le volume d’eau déplacé est grand et plus cette poussée augmente. Elle dépend donc du volume immergé, de la masse volumique du fluide et de l’intensité de la pesanteur.

L’équilibre entre le poids et la poussée

Un objet flotte à la surface lorsque la poussée d’Archimède devient égale à son poids. S’il est au départ enfoncé et que la poussée est supérieure à son poids, il remonte jusqu’à ce qu’une partie seulement de son volume soit immergée. À l’équilibre, le poids de l’eau déplacée est exactement égal au poids de l’objet. Si la poussée reste inférieure au poids, l’objet descend. Un objet complètement immergé peut aussi rester entre deux eaux lorsque sa poussée et son poids sont égaux, sans être nécessairement en contact avec la surface.

Le rôle de la masse volumique et de la forme

Pour un objet homogène placé dans l’eau, la comparaison de sa masse volumique moyenne avec celle de l’eau permet de prévoir son comportement. S’il est moins dense que l’eau, il peut déplacer, avant d’être totalement immergé, une quantité d’eau dont le poids égale le sien : il flotte. S’il est plus dense que l’eau, son poids dépasse la poussée maximale qu’il peut recevoir lorsqu’il est entièrement immergé, et il coule. La forme modifie toutefois le volume d’eau qu’un objet peut déplacer. C’est pourquoi une coque creuse en acier peut flotter alors qu’un bloc compact d’acier de même masse volumique coulerait : la coque contient de l’air et son volume total rapporté à sa masse, autrement dit sa masse volumique moyenne, est suffisamment faible. Le même principe explique la flottabilité des bateaux et le fonctionnement des dispositifs qui ajustent le volume ou la masse d’eau déplacée, comme les ballasts des sous-marins.