TPE: Pourquoi le bois de chêne était-il particulièrement utilisé dans la construction navale des coques de bateaux?

I- Densité et flottabilité du bois

Hypothèse: Un objet flotte si sa densité est inférieure à celle de l'eau (1).

 

Nous avons donc calculé la densité de différents bois afin de vérifier cette hypothèse.

 

Expérience

Nous avons commencé par peser un échantillon du bois dont nous voulons savoir la densité. Nous avons ensuite mis ce morceau de bois dans un becher gradué rempli d'eau. Nous avons relevé le volume d'eau du becher avant et après l'opération. Ayant ainsi la masse et le volume du morceau de bois, nous pouvons en calculer sa masse volumique à l'aide de la formule p=m/V

(p = masse volumique; m = masse en kg du bois; V =  volume de la pièce de chêne)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Résultats

 

1-Exemple du Chêne

mchêne = 0,250kg

V1= 0,650 l                            (V1=Volume d'eau initiale)

V2= 0,975 l                            (V2=Volume d'eau après ajout du morceau de chêne)

V= V2-V1=0,975-0,650

V=0,325 l

 

Enfin nous pouvons calcule la masse volumique du chêne:

p=m/V

p=0,250/0,325

p=0,769 kg/l

 

La masse volumique du chêne est donc de 0,769. Elle est inférieure à celle de l'eau car 0,769<1.

 

2-Autres bois

De la même manière, nous avons calculé les masses volumiques du laurier, du peuplier, du sapin, du cerisier et de l'ébène.

p(laurier)=0,67 kg/l           (flotte)

p(peuplier)=0.45 kg/l        (flotte)

p(sapin)=0.40 kg/l             (flotte)

p(cerisier)=0.65 kg/l          (flotte)

p(ébène)=1.24 kg/l            (coule)

 

Interprétation et explications

 

Ainsi, les essences de bois qui ont une densité inférieure à celle de l'eau flottent, les autres coulent.

 

On a remarqué également que le bois de chêne est plus dense que les bois de sapin, de laurier de peuplier et de cerisier.

 

Cependant, il faut distinguer la densité réelle ou absolue du bois (qui est la densité de la matière dite ligneuse) et la densité apparente de la masse du bois (celle que nous venons de calculer). Il faut savoir que la densité de la matière ligneuse (que l'on peut obtenir en réduisant le bois en une poudre) est sensiblement la même quelle que soit l'espèce considérée (entre 1,40 et 1,50).

 

Or, nous avons observé au microscope une coupe verticale d'une branche de chêne et de sapin. Dans les deux cas il y a, entre les fibres de bois, des espaces vides répartis de façon homogène. Il s'agit des vaisseaux du bois (à l'intérieur desquelles, la sève circule). Nous avons remarqué que le bois de sapin possède plus de vide que le bois de chêne.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ainsi, puisque la densité absolue du bois de chêne est la même que celle du bois de sapin, la différence des densités apparentes résulte de l'absence plus ou moins importante de matière ligneuse.

 

Remarque: la densité qui nous intéresse pour les coques de bateaux est la densité apparente.

 

Nos observations nous ont montré qu'un objet ne flottait que si sa densité était inférieure à celle de l'eau (seul l'ébène de densité supérieure à 1 coulait alors que tous les autres bois de densité inférieur à 1 flottaient). Nous pouvons cependant aller plus loin dans l'interprétation de la flottabilité.

 

 

 

 

 

II- La poussée d'archimède

 

 

« Tout corps plongé dans un liquide reçoit de la part de celui-ci une poussée verticale, égale au poids du volume de liquide déplacé. » 
 

Pa=V x M x g

• Pa: Poussée d'Archimède (en Newton)

• V: Volume de liquide déplacé (en m³)  (Il s'agit du volume de la partie immergée de l'objet)

• M: Masse volumique du solide (en kg/m³)

• g : l'accélération de la pesanteur ou gravité, (en N/kg) (sur Terre g = 9,81 environ)

La poussée d’Archimède est une force qui s’exerce de bas en haut sur l’objet plongée dans un liquide. On dit qu’elle est égale au poids du volume de liquide déplacée car le volume multiplié par la masse volumique est égal à la masse, et une masse multiplié par g donne le poids du liquide déplacé.

 

P= m x g

• m: masse de l'objet (en kg)

• g : l'accélération de la pesanteur ou gravité (en N/kg) (sur Terre g = 9,81 environ)

• P: Poids (en N)

 

Le poids est la force qui s’exerce du centre de l’objet vers le centre de la Terre.

Le poids et la poussée d’Archimède sont deux forces de directions opposées.  

Si P<Pa, alors l'objet flotte

Si P>Pa, alors l'objet coule

Si P=Pa, alors l'objet "flotte entre deux eaux"

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Pour modifier la flottabilité d’un objet (ou d'un bateau), on peut faire varier trois paramètres :

-le volume immergé de l’objet plongé dans l’eau (Pa=V x M x g). C’est ce qui se passe quand l’objet lâché dans l’eau monte et descend (b). En fait, il cherche à équilibrer son poids et la poussée d’Archimède (d) en variant le volume immergé. Ce principe peut s’illustrer par des poutrelles en acier qui coulent, mais si on leur donne la forme de coques (bateaux actuels), elles flottent.

-La masse de l’objet, qui va augmenter ou diminuer la force du poids. (P= m x g) Par exemple, si on remplit un ballon de sable et un autre ballon de même volume d’air, le ballon de sable va couler.

-Et enfin la masse volumique du liquide (Pa=V x M x g). On peut par exemple rajouter du sel dans l’eau pour augmenter la masse volumique et ainsi la poussée d’Archimède.

 

Cette seconde partie est très importante pour comprendre la flottabilité d'un bateau. En effet, le chêne, dont la densité est importante par rapport à la majorité des autres bois, est un matériau lourd et qui peut couler si il est très humide. Cependant un bateau va flotter car il y a beaucoup de vide à l'intérieur. Le choix de l'essence n'a donc pas ou peu de rapport avec la flottabilité finale du bateau.