RessourcesJeunes (13-25 ans),Familles,Enseignants,MédiateursMathématiques - physique - chimieDocument pédagogique

Tels des poissons dans l’eau, nous baignons dans les profondeurs d’un océan d’air dont la surface se situe à des dizaines de kilomètres au-dessus de nous. Le poids, dû à cette masse d’air de cinq milliards de milliards de kilogrammes, qui s’exerce sur la surface de la planète est à l’origine de la pression atmosphérique. Voici quelques expériences pour appréhender cette pression.
Par Hassan Khlifi, responsable adjoint, unité physique du Palais de la découverte

(Reprise de Découverte n° 405, juillet-août 2016, p. 60-61)

MATÉRIEL NÉCESSAIRE :
  • essuie-tout
  • un verre
  • un saladier rempli d'eau
  • une feuille de papier A4
  • une règle plate d'une trentaine de centimètres
  • une grande feuille de papier journal
  • une planche en bois peu épaisse
  • une table

Difficulté de l'expérience : 2 / 5
Niveau scientifique requis : 3 / 5


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Même pas mouillé !

Coincez un morceau de papier (d’essuie-tout par exemple) en l’écrasant au fond d’un verre, que vous retournerez dans une bassine, préalablement remplie d’eau à une hauteur au moins égale à celle du verre. Délicatement, enfoncez le verre jusqu’à ce qu’il touche le fond du récipient. Afin d’éviter l’échec de l’expérience à cause d’une quelconque fuite d’air, positionnez la surface du verre perpendiculairement à la surface de l’eau, puis, dès que l’eau touche le bord du verre, plongez-le doucement jusqu’au fond. Sortez le verre de la bassine et retirez le papier : vous serez surpris de constater que ce dernier n’est pas mouillé (fig. 1).

Figure 1. Coincez un papier bien écrasé, de type essuie-tout par exemple, au fond d’un verre. Placez le verre le plus horizontalement possible à la surface de l’eau afin d’éviter toute fuite d’air. Enfoncez le verre jusqu’au fond du saladier. En le ressortant, vous constaterez que le papier est sec. © H. Khlifi.

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Une sacrée pression d’air

Sur une table parfaitement lisse, placez dans le sens de la longueur une feuille de papier A4 sur une règle plate d’une trentaine de centimètres. Positionnez la règle de sorte qu’elle dépasse du bord de la table d’un tiers de sa longueur environ (fig. 2). Étalez soigneusement la feuille afin qu’elle recouvre bien la surface de la table. Puis, avec la tranche de la main, frappez d’un coup sec sur la partie de la règle qui dépasse pour soulever la feuille. Si votre expérience est conduite correctement, vous sentirez une certaine résistance au « décollage » : la règle reste piégée sous la feuille qui la plaque contre la table telle une ventouse à chaque coup sec.

Figure 2. Étalez bien la feuille sur la règle pour éviter au maximum les infiltrations d’air. Donnez des coups secs et rapides sur la partie de la règle qui dépasse de la table. La règle reste coincée sous le papier qui se comporte comme une ventouse. © H. Khlifi.

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Plus fort encore

Si la même expérience est reproduite en remplaçant la feuille A4 par une grande feuille de papier journal et la règle par une planche en bois pas trop épaisse, cette dernière peut être brisée en deux (fig. 3). Il faut que le papier journal épouse bien la surface de la table et les contours de la planche afin d’éviter que l’air s’infiltre entre le papier et la table.

Figure 3. a) Position de la planche sur la table. b) Étalez le journal le mieux possible afin d’éviter les infiltrations d’air. c) Puis, avec la tranche de la main, donnez un coup sec sur la partie qui dépasse de la table. La planche est brisée en deux morceaux. © H. Khlifi.

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Une petite explication s’impose…

Le verre est rempli d’air à la pression atmosphérique ordinaire (encadré La pression atmosphérique). En retournant le verre convenablement dans le récipient, l’eau, tel un bouchon liquide, emprisonne et empêche toute fuite d’air en dehors (dans la bassine). Lorsque le verre est enfoncé dans l’eau, cette dernière s’y engouffre et écrase l’air comme le ferait le piston d’une seringue bouchée à une extrémité. Cette diminution du volume d’air se traduit par une augmentation de la pression, qui dépend de la force exercée sur le verre, empêchant l’eau de monter et de mouiller le papier. C’est donc une poche d’air à une pression supérieure à celle ordinaire qui apparaît au fond du verre et fait office d’abri pour le bout de papier, qui reste au sec.

C’est également à cause de la pression atmosphérique que la feuille est plaquée contre la table telle une ventouse. En effet, si la feuille est aplatie parfaitement sur la table, il faut être en mesure de soulever 600 kilogrammes pour la faire décoller, car la masse d’air pesant sur les 600 cm² est égale à 600 kg (encadré La pression atmosphérique). Bien entendu, si le geste est effectué lentement et non violemment, l’air a le temps de s’engouffrer sous la feuille : aucune résistance au soulèvement n’est alors rencontrée.

La pression atmosphérique La masse totale de l’atmosphère qui enveloppe notre planète et s’étend sur des dizaines de kilomètres d’altitude est estimée à 5,13 milliards de milliards de kilogrammes. Comme toute matière pesante, cette masse d’air est soumise à l’attraction terrestre. Le rapport de cette force attractive – poids de l’atmosphère sur surface du globe terrestre dont l’aire est de l’ordre de 510 100 000 km² – correspond à la pression atmosphérique. Cette dernière est égale à 10 N/cm² (équivalent à 1 kg/cm²) environ.