Statique des Fluides: verre retourné

[ArchoZaure]

Ah donc je dois prendre l'un des deux en réalité (poids ou pression*surface de l'eau).
Là, j'ai finalement compris tout le problème, et plus même. Je vois pourquoi le prof nous a fait mettre du vide en haut du verre. Il a fait comme si une force (invisible sur le schéma) tirait vers le bas, si fort qu'il y a du vide dans le verre. Il voulait ensuite qu'on retrouve la valeur de cette force pour qu'on remarque qu'elle peut être très grande. L'équivalent de 100 kg dans le cas du cours, donc assez impressionnant !
Merci à tous pour le temps consacré. C'est sûr qu'une fois qu'on pose correctement le problème, tout est plus clair.

Mais pas au niveau du vide.
Il n'y a pas de force en provenance du vide.
Zero pression zero force.

Ce que vous appelez la force invisible c'est juste le poids de la colonne d'eau.
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[M1set]

En fait il existe des forces très puissantes, qui collent la feuille sur l'eau.
C'est ce qu'on appelle les forces de capillarité, basées sur des forces aujourd’hui considérées comme plus fondamentales: Les forces de Van Der Waals.

Ça peut être intéressant de voir quelle force elles exercent, mais ça dépasse mon niveau...

Je ne vois pas trop ce que vous voulez dire.

Je voulais dire que dès que du vide apparaît, cela signifie que la force que l'on exerce vers le bas sur la feuille est plus grande que la pression atmosphérique * la surface du verre.

Mais pas au niveau du vide.
Il n'y a pas de force en provenance du vide.
Zero pression zero force.

Ce que vous appelez la force invisible c'est juste le poids de la colonne d'eau.

Ça ne peut pas être le poids de la colonne d'eau, d'après @gts2, je ne peut pas le prendre en compte dans le PFD. Et puis ça me semble logique*: la force de pression de l'eau F=P*S remplace justement le poids de l'eau puisque P=rho*g*h donc F=rho*g*h*S=rho*g*V=m*g, on retrouve bien le poids. Moi je parlais justement d'une masse supplémentaire qu'on aurait accroché à la feuille.

[ArchoZaure]

Je voulais dire que dès que du vide apparaît, cela signifie que la force que l'on exerce vers le bas sur la feuille est plus grande que la pression atmosphérique * la surface du verre.

Si c'était le cas vous auriez un mouvement permanent.

Au contraire, le vide est juste une manifestation annexe du fait (la cause) qu'on se retrouve dans un nouvel équilibre statique.
C'est peut-être un petit détail sémantique mais bien saisir la différence permet d'éviter de dire une chose qui pourrait penser que vous ne maitrisez pas la question.

Donc, on a un état A (au moment où on a retourné le tube) et on arrive à un état B, apparition d'un vide.

Par contre ce que je ne comprends pas c'est que vous faites encore mentions de vide dans le cas du verre (pas du tube) avec la feuille alors qu'on a répété maintes fois que c'était impossible.
On ne peut pas produire un vide de cette manière (à moins d'avoir un verre de 20m etc)

[ArchoZaure]

Ou pas...
Si la feuille fléchit et réduit l'occupation du liquide, est-ce qu'on ne peut pas avoir ainsi un vide ?
Bonne question.
A la limite dans ce cas de figure, la question de la pression atmosphérique peut devenir accessoire.

[M1set]

Si c'était le cas vous auriez un mouvement permanent.

Comment le mouvement est-il permanent ici ?

Par contre ce que je ne comprends pas, c'est que vous faites encore mentions de vide dans le cas du verre (pas du tube) avec la feuille alors qu'on a répété maintes fois que c'était impossible.
On ne peut pas produire un vide de cette manière (à moins d'avoir un verre de 20m etc)

Je ne l'ai pas rappelé, mais mon verre est à présent en forme de tube.
Ensuite, il me semble possible de "faire du vide" avec le système que j'ai décrit juste avant. Comme pour une seringue vide et bouchée qu'on tirerait. Je fais la même chose avec le verre (cylindrique) : je prends la feuille du verre à laquelle j'attache une masse de 100 kg (une feuille solide et une masse bien répartie). D'après les calculs, pour un verre de taille normal, on est dans le cas limite, mais cela devrait tenir. Comme une ventouse, la feuille pourrait se déformer donc. Si je dépasse ces 100 kg, il y aurait l'apparition du vide que je citais juste avant, bien qu'il n'ait aucun effet.

[ArchoZaure]

Comment le mouvement est-il permanent ici ?

Ce que je veux dire c'est que si vous avez une force plus importante que l'autre, et c'est une considération très basique, alors vous allez avoir un mouvement.
Donc s'il n'y a pas de mouvement alors c'est que les forces sont équilibrées.

Je ne l'ai pas rappelé, mais mon verre est à présent en forme de tube.
Ensuite, il me semble possible de "faire du vide" avec le système que j'ai décrit juste avant. Comme pour une seringue vide et bouchée qu'on tirerait. Je fais la même chose avec le verre (cylindrique) : je prends la feuille du verre à laquelle j'attache une masse de 100 kg (une feuille solide et une masse bien répartie). D'après les calculs, pour un verre de taille normal, on est dans le cas limite, mais cela devrait tenir. Comme une ventouse, la feuille pourrait se déformer donc. Si je dépasse ces 100 kg, il y aurait l'apparition du vide que je citais juste avant, bien qu'il n'ait aucun effet.

Ok, dans ce cas faut revoir la problématique.

[M1set]

Ce que je veux dire c'est que si vous avez une force plus importante que l'autre, et c'est une considération très basique, alors vous allez avoir un mouvement.
Donc s'il n'y a pas de mouvement alors c'est que les forces sont équilibrées.

Oui, je vois, donc les forces seraient égales. Comment c'est possible alors ?

[ArchoZaure]

Oui, je vois, donc les forces seraient égales. Comment c'est possible alors ?

A l'équilibre les forces sont égales, c'est aussi simple que ça.

Ensuite, il me semble possible de "faire du vide" avec le système que j'ai décrit juste avant. Comme pour une seringue vide et bouchée qu'on tirerait. Je fais la même chose avec le verre (cylindrique) : je prends la feuille du verre à laquelle j'attache une masse de 100 kg (une feuille solide et une masse bien répartie). D'après les calculs, pour un verre de taille normal, on est dans le cas limite, mais cela devrait tenir. Comme une ventouse, la feuille pourrait se déformer donc. Si je dépasse ces 100 kg, il y aurait l'apparition du vide que je citais juste avant, bien qu'il n'ait aucun effet.

Donc en fait non c'est pas comme une seringue.
Reprenons en tous cas le cas de la seringue pour commencer.

Vous prenez une seringue, vous la bouchez, et puis vous tirez dessus avec une force de 100kg.
La description est assez sommaire mais je pense qu'on parle de la même chose, donc soit.

Déjà premier point, si la seringue n'est pas attachée à quelque-chose qui "supporte" les 100kg, le fait de tirer sur le "manche" (ça doit porter un nom et je donne ma langue au chat) de la seringue ne fera rien d'autre que déplacer la seringue, l’accélérer de plus en plus jusqu'à atteindre peut-être même le mur du son, si elle n'a pas fondue avant sous l'effet des frottements dans l'air.
Force=> ma => vitesse.
Donc là déjà on voit qu'une force produit un mouvement.

Maintenant, on attache la seringue à quelque-chose.
Par exemple à l'encadrement en acier d'une porte, et qu'on attache au manche un poids comme vous le suggériez de 100kg.
Si je m'en tiens à ce qui a été dit plus avant, sans même faire l'expérience :
Puisque les 100kg dépassent la force de l'atmosphère poussant sur le manche du piston (à la louche et pas besoin de faire des gros calculs pour le savoir), alors le piston va descendre, descendre, descendre, de manière régulière, que le piston fasse 10cm ou 100m c'est pareil, laissant un volume de vide de plus en plus grand. Il n'y aura pas non plus, plus de résistance du piston à la fin qu'au début de la progression du piston.
Lorsque le piston sortira de la seringue, "PLOP !" et c'est tout.

Bon j'ai finalement quand même pris une seringue pour vérifier.
Et il me semble (je pourrais peut-être déplacer 20kg avec mes petits bras mais je n'en ai même pas eu besoin), que j'ai pas eu besoin d'augmenter la force au début et à la fin lorsque je tirais sur le piston.
Donc à priori la pratique semble compatible avec la théorie.
Mais c'est vrai que c'est un sujet intéressant si on va plus loin (je sais pas de manière effective si on peut tirer sur 100m sur le piston comme le voudrait la théorie, j'ai pas les crédits pour vérifier).

Et pour comparaison, c'est en effet pas pareil si on compresse un gaz, et dans ce cas de figure, effectivement il faut de plus en plus de force pour compresser le volume du gaz.

[M1set]

A l'équilibre, les forces sont égales, c'est aussi simple que ça.

En réalité, je croyais que dès l'apparition du vide, la feuille allait se décoller. Même si le vide n'agissait pas sur le système. C'est pour ça que je parlais d'indicateur.

Déjà premier point, si la seringue n'est pas attachée à quelque-chose qui "supporte" les 100kg, le fait de tirer sur le "manche" (ça doit porter un nom et je donne ma langue au chat) de la seringue ne fera rien d'autre que déplacer la seringue, l’accélérer de plus en plus jusqu'à atteindre peut-être même le mur du son, si elle n'a pas fondue avant sous l'effet des frottements dans l'air.

Toujours bien définir l'expérience

Puisque les 100kg dépassent la force de l'atmosphère poussant sur le manche du piston (à la louche et pas besoin de faire des gros calculs pour le savoir), alors le piston va descendre, descendre, descendre, de manière régulière, que le piston fasse 10cm ou 100m c'est pareil, laissant un volume de vide de plus en plus grand. Il n'y aura pas non plus, plus de résistance du piston à la fin qu'au début de la progression du piston.

J'avais justement un doute sur ça, je croyais que la force allait augmenter, comme dans le cas du verre avec la bulle d'air. Mais enfaite, si on regarde rapidement, l'atmosphère exerce toujours la même pression, la surface ne change pas et le vide reste du vide à l'intérieur. Dans le cas de la bulle d'air, il faudrait une force croissante au début pour vaincre la pression qui diminue dans la seringue, jusqu'à arriver à un quasi-vide (air très "dilué")

Bon j'ai finalement quand même pris une seringue pour vérifier.

Et merci d'avoir vérifié !

[M1set]

Est-ce que cela veut dire que la force de décollement de la feuille du tube est la même quelle que soit la hauteur d'eau (de 10 cm à très grand) ? Elle ne dépendrait donc que de la surface ?

[M1set]

Et surtout, si l'eau est incompressible, est-ce qu'on aurait la même valeur de force de décollement si on réalisait l'expérience avec du vide à la place de l'eau ? (à condition d'avoir une feuille bien solide et un système bien
hermétique)

[M1set]

Après réflexion, la colonne d'eau ne peut pas être trop grande, j'allais oublier la pression de l'eau sur la feuille... La fatigue

[M1set]

C'est bon, je pense avoir compris une bonne fois pour toutes.

-le prof a bien fait un dessin erroné*: dans le cas du premier schéma que j'ai envoyé, il faudrait que la feuille soit en réalité une plaque rigide, indéformable. On aurait ensuite enlevé un peu d'eau du verre pour laisser place au vide. Dans ce cas-là, le poids de l'eau est négligeable et on peut directement faire les calculs sur une chambre à vide. Donc l'expérience n'est plus la même et le résultat trouvés (990 N) ne s'applique certainement pas sur cette feuille en réalité.
Deuxième cas possible, si on veut qu'il y ait du vide en haut d'un verre cylindrique, il faudrait qu'il mesure +10 m de haut. Ici, en bas du verre (donc au niveau de la feuille), la force de pression de l'eau serait plus grande que celle de la pression atmosphérique*: tout tomberait.

[ArchoZaure]

Est-ce que cela veut dire que la force de décollement de la feuille du tube est la même quelle que soit la hauteur d'eau (de 10 cm à très grand) ? Elle ne dépendrait donc que de la surface ?

En fait non c'est juste que vous ne voyez pas le bilan entre l'intensité de la force qui pousse sur l'eau par en bas et le poids de la colonne de liquide.
Par exemple si vous positionnez un seau d'eau à moitié plein au plafond, vous le lâchez il tombe.
Maintenant vous pouvez poussez dessus par en bas avec une force exactement équivalente au poids du seau, il bouge plus.
Mais vous pouvez aussi pousser dessus avec une force égale 1 fois et demi cette même force.
Ça bouge plus non plus.
Vous ne pouvez pas voir la différence avec vos yeux, la seule différence c'est que la force de réaction du plafond est devenue plus grande.
Maintenant avec cette dernière force, si vous remplissez le seau d'eau aux 3/4, vous allez voir la différence, le décollement du plafond.

C'est pareil avec le tube de 1m rempli d'eau.
La force issue de la pression atmosphérique exercée sur le liquide par en bas est au moins 10 fois plus grande que le poids de la colonne d'eau.
Donc non, si la colonne d'eau s'écoule tout de même par en bas (si on augmente le diamètre du tube), c'est pas parce-que le poids de la colonne est trop grande (théoriquement le diamètre du tube importerait peu vu que l'atmosphère c'est une pression, donc la force est constante par unité de surface, quelle-que soit la surface) c'est à cause d'autre chose (cohésion de l'eau).

[ArchoZaure]

Et surtout, si l'eau est incompressible, est-ce qu'on aurait la même valeur de force de décollement si on réalisait l'expérience avec du vide à la place de l'eau ? (à condition d'avoir une feuille bien solide et un système bien
hermétique)

Non puisque ça pousse uniquement par en bas du coup, aucune raison que la feuille se décolle.
On aurait 1 bar sur la feuille, ce qui la ferait probablement se replier dans le tube vide si le diamètre est trop grand.
Mais si on a de l'eau à la place du vide, on aura moins d'1 bar, ou mieux dit, le bilan serait de moins d'1 bar vers l'intérieur (l'eau aussi exerce une pression, pression hydrostatique).

Expérimentalement, on constate que la pression dans l'eau immobile ne dépend que de la profondeur et pas de la direction. En effet, si l'on prend une petite boîte rigide ouverte d'un côté et que l'on tend une membrane élastique, cette boîte enfermant de l'air à pression atmosphérique, et que l'on plonge cette boîte dans l'eau, la déformation de la membrane permet de visualiser la différence de pression entre l'air et l'eau, et celle-ci ne dépend que de la profondeur, pas de l'orientation de la boîte ni de sa position dans le plan horizontal. Cette relation entre la pression dans un fluide et la profondeur est connue sous le nom de principe de Pascal, et est à la base de l'hydrostatique.
Convention : dans l'exemple qui suit, nous orientons l'axe vertical vers le bas (z croît lorsque l'on descend).

https://fr.wikipedia.org/wiki/Hydrostatique

[ArchoZaure]

-le prof a bien fait un dessin erroné*: dans le cas du premier schéma que j'ai envoyé, il faudrait que la feuille soit en réalité une plaque rigide, indéformable.

Non c'est juste que le dessin est illogique ou à la limite qu'on se demande où on veut en venir, d'autant qu'il est incompréhensible si on ne précise pas si on a en haut du vide ou de l'air.
Mais avec un verre disons de 50cm de haut le dessin pourrait éventuellement être correct à la surface du Soleil (g=274m/s/s).

On aurait ensuite enlevé un peu d'eau du verre pour laisser place au vide.

Non toujours pas.
Là où est censé se situer le vide (en haut du verre), il faudrait tirer sur le liquide, donc je ne vois pas ici d'autre possibilité qu'en augmentant la gravité (par centrifugation peut-être)

[M1set]

Je me suis peut-être mal exprimé. Quand je parle de force de décollement, je veux parler du poids équivalent qu'il faudrait accrocher à la feuille avant qu'elle ne se décolle du verre.

Donc non, si la colonne d'eau s'écoule tout de même par en bas (si on augmente le diamètre du tube), c'est pas parce-que le poids de la colonne est trop grande (théoriquement le diamètre du tube importerait peu vu que l'atmosphère c'est une pression, donc la force est constante par unité de surface, quelle-que soit la surface) c'est à cause d'autre chose (cohésion de l'eau).

Si on prend en compte seulement les forces de pressions, notre système devrait bien être à l'équilibre, quelle que soit la surface, tant qu'on a un tube de moins de 10 m de haut à pression atmosphérique.

Non puisque ça pousse uniquement par en bas du coup, aucune raison que la feuille se décolle.

Oui je vois. Mais sur un verre de faible hauteur, on pourrait négliger le poids de l'eau. Cela reviendrait au même entre un verre vide (sans mauvais jeux de mots) et un verre avec de l'eau, mais du vide au sommet.

Là où est censé se situer le vide (en haut du verre), il faudrait tirer sur le liquide, donc je ne vois pas ici d'autre possibilité qu'en augmentant la gravité (par centrifugation peut-être)

J'imaginais plutôt un système de pompe à vide qui retire un peu d'eau. La feuille serait une plaque solide. Mais pourquoi pas aller sur le soleil