Pression atmosphérique expliquée à mon fils

[Man4x]

Bonjour à tous.
Le pénible avec les mouflets, c’est qu’ils ont toujours la question qui vous désarçonne. Du coup, discrédit total et - plus grave - le mouflet se dit que si même son père ne comprend pas, ce n’est même pas la peine pour lui d’essayer. Bref, aide parfaitement contre-productive !
Du coup, j’essaye tant bien que mal d’anticiper ces moments dramatiques et compte sur votre aide pour y parvenir.

Mon fils attaque donc la notion de pression atmosphérique (4e). A priori, pas trop de problème pour lui définir: c’est la force qu’exerce l’air ambiant à la surface d’un corps. Cette force, il me semble, peut être décrite comme résultant du poids des molécules de gaz de l’atmosphère sur ledit corps. Ainsi, une surface de liquide dans un bol «*subit*» le poids de la colonne d’air située au dessus d’elle. Enfin, je crois...

Mais (et vous pardonnerez la stupidité de la question, mais je pressens l’embarras si le loustic venait à me la poser) quid si on superpose sur le bol une plaque métallique ? Peut-on dire que la pression sur la surface du liquide sera moins grande étant donné que la plaque métallique supporte dès lors la majeure partie du poids de la colonne de gaz à la verticale du bol ?
Pire encore: si on positionne la même plaque mais sur une moitié du bol, la pression à la surface du liquide surplombé par la plaque sera-t-elle moins forte que celle à la surface du liquide à l’air libre ?
La réponse est bien sûr négative puisqu’aucun mouvement ne sera visible entre les deux moitiés du liquide, mais comment l’expliquer en termes justes et pédagogiques ?

Merci par avance de votre aide (et de votre commisération) !
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[Sethy]

Il faut décomposer le problème.

S'il y a pression, cela implique que les molécules d'air sont plus rapprochées que ce qu'elles ne le seraient sans pression.

Lorsqu'on met la plaque métallique en place, les molécules d'air emprisonnées entre elle et la surface du liquide n'ont pas tout d'un coup plus de place. Non, elles sont toujours aussi confinées.

Donc, la pression ne varie pas.

[Man4x]

Bonjour Sethy, et merci pour cette réponse.
Du coup, le parallèle de la pression et du poids des molécules dans la colonne d’air est complètement faux ?

[Sethy]

Bonjour Sethy, et merci pour cette réponse.
Du coup, le parallèle de la pression et du poids des molécules dans la colonne d’air est complètement faux ?

Pas du tout. C'est ce "poids" qui est responsable de la pression initiale ( = le fait que les molécules d'air soient "si" proches).

C'est comme l'arrivée du métro sur le quai bondé. Tout le monde pousse pour rentrer avant que les portes ne se ferment. On peut mesurer la "pression" dans la rame qui quitte la station en voyant le nombre de passager qui restent à quai faute de n'avoir pu rentrer dans la rame.

[A voir en vidéo sur Futura]

[Man4x]

Hum... je vois...
La maxime de votre profil est décidément marquée au coin du bon sens...

[calculair]

Mais votre fils n'a pas tout à fait tord .....

C'est le cas par exemple d'un ballon d'enfant gonflé au bord de la mer. On néglige dans un premier temps la force d'élasticité de la paroie élastique.

La pression intérieure est équilibrée par la pression atmosphérique s'exerçant sur tout le ballon.

Si on monte en altitude , la pression atmosphérique diminue, pour équilibrer les forces le ballon augmente de volume pour que les forces élastiques et la pression interne au ballon s'équilibre la pression atmosphérique. D'ailleurs si on montre trop haut le ballon peut exploser.....

La pression atmosphérique n'est pas négligeable 1 kg / cm2 ..... !!!

D'ailleurs si on aspire de l'air au sommet d' un tube vertical dont la base ouverte est sous l'eau la pression au bas du tube n'est plus équilibrée par celle qui est au-dessus ( du fait de l'aspiration ) l'eau monte .... Mais cela s'arrête à 10 m environ , car la pression de l'air n'est plus suffisante et un vide se fait au-dessus de la colonne d'eau

Torriceli à fait un baromètre à mercure de densité 13, 6 fois plus importants que l'eau. La colonne de mercure monte de 76 cm environ....

J'espère que cela répondra aux questions pertinentes de votre fils...

Il faut avoir quelques visions concrètes pour ce rendre compte de ces forces quasi invisibles....

[Morteen]

Bonjour.
La question me semble très intéressante car elle révèle un bel exemple de ce qu'est une explication trop courte et qui de ce fait induit en erreur.
On lit souvent en effet que la pression atmosphérique correspond "au poids de la colonne d'air au dessus d'un point". Cette description trop rapide permet en effet de se demander, naïvement, si elle sera la même selon qu'on la mesure dans son jardin ou dans son salon, sous le plafond donc.

lol

[arbanais83]

Lorsqu'on met la plaque métallique en place, les molécules d'air emprisonnées entre elle et la surface du liquide n'ont pas tout d'un coup plus de place. Non, elles sont toujours aussi confinées.
Donc, la pression ne varie pas.

Par contre si après avoir mis la plaque métallique de manière étanche la pression augmente au dessus de celle-ci, la pression ne devrait pas varier dans le bol non ?
Et si on remplace la plaque métallique par une membrane plastique de célophane tendue et étanche, on devrait voir l'augmentation de pression à la déformation de la membrane non ?

[FC05]

Par contre si après avoir mis la plaque métallique de manière étanche la pression augmente au dessus de celle-ci, la pression ne devrait pas varier dans le bol non ?
Et si on remplace la plaque métallique par une membrane plastique de célophane tendue et étanche, on devrait voir l'augmentation de pression à la déformation de la membrane non ?

Oui si la plaque métallique est indéformable et lié de manière totalement étanche au bol.

Mais je ne pense pas que ce soit l'idée de base de l'enfant.
En fait c'est une erreur classique de considerer qu'un fluide se comporte comme un solide.
L'idée c'est que le poids de la colonne d'air repose sur la plaque.
Or la pression se transmet dans les fluides, pas les forces.
La pression est toujours perpendiculaire à la surface.
En gros on peut dire qu'elle fait le tour de la plaque. Si je met ma main à plat, elle a une surface d'environ 20 cm², ce qui représente le poids d'une masse d'environ 20 kg. Pourtant je ne ressent rien.
Pour la simple et bonne raison que la pression s'applique aussi sur le dessous de la main et que ça donne une force de bas en haut !*

Donc à retenir : les solides transmettent les forces, les fluides les pressions, d'où des comportements "étranges" des fluides si on raisonne comme si ils étaient des solides.


* Je rajoute à la confusion : la force d'en bas est plus grande que celle d'en haut, car la pression augmente quand on descend.
Donc le poids de la colonne de fluide va au final me pousser (très légèrement) vers le haut !
Cette force vers le haut porte le nom de poussée d'Archimède !

C'est l'équivalent de 1,2 kg/m³ ... pas grand chose, mais dans l'eau ce sera vraiment plus.

[arbanais83]

Or la pression se transmet dans les fluides, pas les forces.

Ce n'est pas évident à comprendre.
Je prends l'exemple d'une seringue que j'ai rempli d'eau, j'exerce une force sur le piston et je bouche la sortie avec mon doigt pourtant si je n'exerce pas une force avec mon doigt il y a bien une autre force qui tend à rejeter mon doigt pour que l'eau puisse s'évacuer.

[calculair]

La fameuse poussée d'archimède. 1,2 kg /m3 dans l'air et 1kg /dm3 dans l'eau environ 1000 fois plus grande ....

Oui si la plaque métallique est indéformable et lié de manière totalement étanche au bol.

Mais je ne pense pas que ce soit l'idée de base de l'enfant.
En fait c'est une erreur classique de considerer qu'un fluide se comporte comme un solide.
L'idée c'est que le poids de la colonne d'air repose sur la plaque.
Or la pression se transmet dans les fluides, pas les forces.
La pression est toujours perpendiculaire à la surface.
En gros on peut dire qu'elle fait le tour de la plaque. Si je met ma main à plat, elle a une surface d'environ 20 cm², ce qui représente le poids d'une masse d'environ 20 kg. Pourtant je ne ressent rien.
Pour la simple et bonne raison que la pression s'applique aussi sur le dessous de la main et que ça donne une force de bas en haut !*

Donc à retenir : les solides transmettent les forces, les fluides les pressions, d'où des comportements "étranges" des fluides si on raisonne comme si ils étaient des solides.


* Je rajoute à la confusion : la force d'en bas est plus grande que celle d'en haut, car la pression augmente quand on descend.
Donc le poids de la colonne de fluide va au final me pousser (très légèrement) vers le haut !
Cette force vers le haut porte le nom de poussée d'Archimède !

C'est l'équivalent de 1,2 kg/m³ ... pas grand chose, mais dans l'eau ce sera vraiment plus.

[calculair]

Pour la boite fermée avec un couvercle métallique.....

On constate la pression atmosphérique avec une boite fermée HERMETIQUEMENT ... comme les capsule manométrique se trouvant dans les baromètres... Elles se gonglent et dégonflent en fonction de la pression atmosphérique qui varie un peu avec le temps...

[Man4x]

Je suis content de lire votre réponse. Il me semble effectivement très important, vis-à-vis d’un enfant qui va bâtir ses raisonnements sur ce que vous allez lui dire, de trouver les mots et les imagés pertinents qui ne l’induisent pas en erreur.
Et à ce titre, le parallèle entre pression et poids de colonne d’air me semble sujet à grosses erreurs d’interprétations pour un enfant...

[Morteen]

Et à ce titre, le parallèle entre pression et poids de colonne d’air me semble sujet à grosses erreurs d’interprétations pour un enfant...

Pas seulement pour un enfant...

[trebor]

Bonsoir à tous,

Place le bol immergé dans un aquarium, avec ou sans la plaque en fer au dessus du bol, la pression dans le bol est identique.

L'air c'est comme de l'eau, à la différence que l'air est très fluide au point que c'est devenu un gaz, tout comme l'eau qui boue et se transforme en vapeur.

[Sethy]

Dans ces cas là, on "fait" de la Science et on recoure à l'expérience comme ici ... https://www.youtube.com/watch?v=AeTTf5MCinM

[calculair]

Oui c'est une belle expérience.

Il faudrait la compléter avec un verre remplie à moitié......et expliquer ce qui se passe.

Dans ces cas là, on "fait" de la Science et on recoure à l'expérience comme ici ... https://www.youtube.com/watch?v=AeTTf5MCinM

[Morteen]

Oui c'est une belle expérience.

Il faudrait la compléter avec un verre rempli à moitié......et expliquer ce qui se passe.

Effectivement. Quand on réalise une expérience avec une contrainte (ici, remplir le verre à raz bord) sans expliquer la contrainte on biaise l'expérience. Et ensuite avec un verre vide. Le mouflet en serait bien aise.

[albanxiii]

Je prends l'exemple d'une seringue que j'ai rempli d'eau, j'exerce une force sur le piston et je bouche la sortie avec mon doigt pourtant si je n'exerce pas une force avec mon doigt il y a bien une autre force qui tend à rejeter mon doigt pour que l'eau puisse s'évacuer.

Une force de pression, F = p/S.
Remplacez l'eau (quasiment incompressible) par de l'air (très compressible) dans cette expérience si vous n'êtes pas convaincu.

[albanxiii]

Et à ce titre, le parallèle entre pression et poids de colonne d’air me semble sujet à grosses erreurs d’interprétations pour un enfant...

C'est pas étonnant qu'il y ait des confusions, puisque vous passez de "pression atmosphérique" à "pression" comme si les deux termes étaient interchangeables. Mais ça n'est pas le cas.
Pour apprendre à raisonner, il faut d'abord comprendre le sens des mots et les utiliser à bon escient.
L'image de la colonne d'air (que je n'aime pas trop, mais c'est un avis personnel) n'est valable que pour la pression atmosphérique.
Si vous parlez de pression dans une cocotte minute, par exemple, le poids de la colonne d'air ne veut plus rien dire. Il faut approcher le problème autrement.

[Dynamix]

Salut

Je prends l'exemple d'une seringue que j'ai rempli d'eau, j'exerce une force sur le piston et je bouche la sortie avec mon doigt pourtant si je n'exerce pas une force avec mon doigt il y a bien une autre force qui tend à rejeter mon doigt pour que l'eau puisse s'évacuer.

La force dur le piston est bien plus grande que celle coté sortie .
Ce qui prouve que le fluide ne transmet pas les forces .

[Man4x]

C'est pas étonnant qu'il y ait des confusions, puisque vous passez de "pression atmosphérique" à "pression" comme si les deux termes étaient interchangeables. Mais ça n'est pas le cas.
Pour apprendre à raisonner, il faut d'abord comprendre le sens des mots et les utiliser à bon escient.
L'image de la colonne d'air (que je n'aime pas trop, mais c'est un avis personnel) n'est valable que pour la pression atmosphérique.
Si vous parlez de pression dans une cocotte minute, par exemple, le poids de la colonne d'air ne veut plus rien dire. Il faut approcher le problème autrement.

Mais j’en suis très conscient ! Les sciences nécessitent une exactitude qui se prêtent mal aux explications de coin de table, et j’ai bien conscience qu’une image mal choisie peut avoir des conséquences fâcheuse pour les réflexions d’un enfant.
Dès lors, puis-je dire que la pression d’un gaz est la conséquence de la «*densité moléculaire*» de celui-ci ?
Ou est-ce une autre de ces pseudo-métaphores dévastatrices ?

[Sethy]

Qu'on discute l'expérience que j'ai choisie à titre d'illustration ne me pose aucun problème.

Là où je suis moins d'accord, c'est dans la recherche d'une explication totalement exacte. D'abord, au fond, elle n'existe pas (RG + MQ = ?) et ensuite c'est totalement contre-productif avec un enfant / ado.

Il ne faut surtout pas oublier qu'Enseigner, c'est vulgariser. Même à bac+5.

[coussin]

Mais j’en suis très conscient ! Les sciences nécessitent une exactitude qui se prêtent mal aux explications de coin de table, et j’ai bien conscience qu’une image mal choisie peut avoir des conséquences fâcheuse pour les réflexions d’un enfant.
Dès lors, puis-je dire que la pression d’un gaz est la conséquence de la «*densité moléculaire*» de celui-ci ?
Ou est-ce une autre de ces pseudo-métaphores dévastatrices ?

La pression d'un gaz est le résultat de l'objet étant bombardé par les molécules de ce gaz. Ça me semble être un concept très facile à imaginer.
Imaginez que vous tiriez sur votre fils avec ces pistolets qui tirent des petites billes en plastique. La force ressentie par ces impacts est facile à comprendre. La pression, c'est ça. Une multitudes d'impacts de la part des molécules constituant le gaz.

[coussin]

De plus, puisque la température est précisément la vitesse des molécules constituant la gaz, on comprend tout de suite la cocotte-minute...

[Dynamix]

La force ressentie par ces impacts est facile à comprendre. La pression, c'est ça

La pression n' est pas une force .

[Sethy]

Je ne sais pas si c'est moi, mais je ressens une terrible agressivité dans cette discussion.

[Morteen]

Je ne sais pas si c'est moi, mais je ressens une terrible agressivité dans cette discussion.

Non je ne crois pas. Par contre le sujet traité est peut être plus compliqué qu'il paraît et les réponses faites ici un peu rapides. Mon fils a vu ta belle expérience du verre d'eau renversé et a écouté l'explication du manipulateur: la feuille et l'eau ne tombent pas parce que l'air exerce une pression supérieure à celle de l'eau.
Du coup il demande pourquoi la feuille tombe quand le verre est vide

[gts2]

Explication détaillée :

http://culturesciencesphysique.ens-l...QSpression.xml

[Man4x]

La question me semble très intéressante car elle révèle un bel exemple de ce qu'est une explication trop courte et qui de ce fait induit en erreur.
On lit souvent en effet que la pression atmosphérique correspond "au poids de la colonne d'air au dessus d'un point". Cette description trop rapide permet en effet de se demander, naïvement, si elle sera la même selon qu'on la mesure dans son jardin ou dans son salon, sous le plafond donc.

Et bien voilà l'exemple parfait ! Toujours dans ma quête existentielle de la manière de pouvoir "expliquer" la pression atmosphérique en termes simples mais justes, et à la suite de la visualisation des liens de Sethys et gts2, j'ai visionné ce cours là: https://www.youtube.com/watch?v=KLAZB-pMu6k
Les efforts du narrateur sont ô combien louables, mais si je la donne à regarder à mon fils, le passage sur le "poids de la colonne d'air" (à partir de 20' environ) va immanquablement conduire à cette remarque que vous avez soulevée ici avec humour: pourquoi la pression atmosphérique mesurée dans le jardin et dans le salon sera la même !