challenges physiques

Bonsoir,

J'ai beaucoup hésité à ouvrir ce sujet, sachant que la physique nécessite une connaissance dont on peut se soustraire à un certain niveau en mathématiques, sans que cela ne soit handicapant.

Je pense seulement qu'une discussion animée autour de ces quelques problèmes pourra éveiller quelques vocations par goût du défi et, j'espère, pas mal de curiosité de votre part.

Je posterai à chaque fois une question (Q.) destinée aux plus autonomes et aux plus enthousiastes. Je ferai suivre cette question par des petits exercices intermédiaires qui permettront de baliser un raisonnement structuré à la question Q. Bien sûr, il n'existe souvent pas une seule manière d'envisager ces questions sachant qu'elles sont souvent très ouvertes. L'important est de faire preuve d'initiative et d'essayer de modéliser le phénomène. On parle d'intuition scientifique ou d'esprit physique.

I)"Parlez-moi de la banquise"*

Q.: "Evolution de la banquise terrestre. Etudiez et discutez" (*extrait oral ENS)

Exercice: Dans cet exercice je suggère de commencer par modéliser la banquise arctique qui a pour particularité de flotter sur un océan. Nous amènerons la discussion vers une étude de l'élévation du niveau des mers.

1) Soit un glaçon d'eau de volume V dans de l'eau liquide. Pourquoi le glaçon flotte-t-il.

2) Considérons un glaçon d'eau cubique de côté a dans de l'eau liquide. Définissez le système d'étude.

En dehors du système, nous nous trouvons dans les Conditions Normales de Température et de Pression (CNTP). Nous supposons de plus que la durée d'observation est courte devant le temps caractéristique de diffusion thermique. En d'autres termes, nous négligerons la fonte de la glace. Donner le volume immergé ? Détailler.

3)

x,y et z seront trois directions orthogonales de l'espace. z est orienté selon la verticale, x et y sont deux directions horizontales formant idéalement un plan infini dans notre étude.

Modélisons la banquise comme étant un pavé dont les dimensions selon x et y sont importantes devant la dimension selon z. Soit S la surface rectangulaire délimitant la banquise dans le plan (x,y), e son épaisseur selon la direction z.

3)a) Supposons que la banquise est faite de glace douce (glace pure) et que l'océan est salé. Si la banquise fond entièrement, comment évolue le niveau de la mer ? Application numérique si le volume total de la banquise vaut 4500 km³ ?

3)b) Que se serait-il passé si l'océan était fait d'eau liquide pure ?

4) En réalité, la fonte des masses glaciaires n'est pas la saule cause de l'élévation du niveau des mers. Un phénomène connu comme la dilatation thermique est en fait responsable d'une partie de cette élévation. Expliquer l'origine de ce phénomène et ce qui en résulte.

5) Supposons que l'océan a une étendue très grande devant sa profondeur. Au vu de la masse volumique de l'eau, quelle simplification importante peut-on faire ?

6) Supposons que l'océan a une profondeur moyenne de 1 km.

Application numérique : Si la température de l'océan augmente uniformément de ΔT = 0,6 K = 0,6°C; comment évoluera le niveau de la mer ? Justifier.

7) Concluez quant à l'importance relative de la fonte des glaces et de la dilatation thermique des eaux sur la montée du niveau des eaux.

Données et théorèmes physiques :

-CNTP : Air à T = 20°C = 293,15 K et P = 1 atm = 1,013*10⁵ Pa= 1,013 Bar

-Masse volumique de l'eau liquide dans les CNTP : ρ_e = 1000 kg/m³

-Masse volumique de la glace d'eau à 0°C = 273,15 K : ρ_g = 917kg/m³

-Masse volumique de l'eau salée liquide dans les CNTP : ρ_s =1025 kg/m³

-Coefficient de dilatation thermique à pression constante de l'eau: α = 2,6.10^-4 °C^-1

-2^d principe de Newton pour la mécanique classique : Un système soumis à des forces qui lui sont extérieures voit la quantité de mouvement de son centre d'inertie varier dans le temps. On écrit : d(mv)/dt= Σ F_ext

-Conséquence - Principe d'équilibre / Relation de la statique : Un système au repos (vitesse nulle ou linéaire constante) dans un référentiel galiléen est en équilibre mécanique avec son environnement. Autrement dit, la somme des forces extérieures auxquelles il est soumis est nulle. On écrit qu'à l'équilibre, Σ F_ext = 0

-1^er principe de la thermodynamique : Un système fermé (pas d'échanges de matière avec l'environnement) voit son énergie interne U fluctuer par les quantités de chaleur Q et de travail W échangées avec l'environnement, quantités qui sont positives si le système reçoit de l'énergie de la part de son environnement, et négatives s'il en perd. Cela se traduit par l'équation suivante : ΔU= Q + W

Pour l'anecdote, c'est de là que s'inspire le principe de Lavoisier :"Rien ne se perd, tout se transforme".

-Approximation linéaire à pression constante de la loi de la dilatation thermique dans un cas isotrope : La variation ΔL de longueur dans une direction donnée (où la matière occupe une longueur L) est proportionnelle à la variation de température ΔT dans le milieu d'après la relation ΔL = α*L*ΔT

En attendant, je ne poste qu'un seul exo, l'inspiration me viendra au fur et à mesure.

Bonne physique, j'espère que vous trouverez un certain plaisir à étudier ce cas de figure d'une manière qui diffère de celle des débats scientifiques sur ce forum, c'est-à-dire un peu plus quantitativement.

J'ai conscience que cet exercice reste difficile pour une personne qui n'a pas fait de physique au niveau terminale S depuis un moment. Je sais cependant que certains forumeurs ont le niveau, d'autres ont la capacité de discuter, et cela reste pour moi un motif suffisant pour tout de même tenter l'expérience :)

PS : C'est avec un très grand plaisir si, vous aussi, vous avez des suggestions d'exercices !

Pas besoin de calculs savants !

la glace d'eau flotte sur l'eau (douce ou salée parce qu'elle est moins dense que l'eau.

Quand elle fond elle devient eau et son relief au-dessus du niveau de flottaison disparaît. donc la fusion de la banquise polaire ne fait pas monter les océans.

Si vous ne me croyez pas, mettez un glaçon dans un verre et remplissez le verre à raz bord sans débordement.

laissez fondre et revenez pour observer le non débordement !

la montée du niveau des océans résulte de 2 phénomènes :

- fusion des glaces terrestres

- dilatation thermique des océans (comme dans les thermomètres à liquide.

Original comme exercice sur un forum.

Je fais juste rapidement les deux premières questions sous un spoiler parce que ça a l'air assez facile même si les souvenirs sont lointains :

Original comme exercice sur un forum.

Je fais juste rapidement les deux premières questions sous un spoiler parce que ça a l'air assez facile même si les souvenirs sont lointains :

1) La glace flotte parce qu'il est moins dense que l'eau, effectivement : 917 kg/m3 < 1000 kg/m3

2) Sous l'effet de la poussée d'Archimède selon laquelle le glaçon cubique de côté a subit une force égale au poids de l'eau déplacée, le système s'équilibre avec le poids du glaçon qui est égal à

P = (Masse volumique de la glace) * (a ^ 3) = 917 a ^ 3

Il faut à présent trouver le volume immergé sachant que à l'équilibre, P = Poids du glaçon = A = Force d'Archimède = 1000 * Volume immergé

On a donc :

P = A

917 a^3 = 1000 * Volume immergé

Volume immergé = 0.917 a^3

Autrement dis, le glaçon carré dans de l'eau douce est immergé selon son arrête verticale à hauteur de 91,7% de a.

Remarque : Il paraît que les icebergs sont à environ 80% de leur volume immergé. Avec de l'eau salée on aurait eu ( Volume immergé = 917 / 1025 a^3 = 0.89 a^3 environ, soit 89% de a).

Très bien ! :) Mais vu ce que tu as écrit pour la question 2, tu aurais pu étoffer la question 1. Le glaçon flotte sur l'eau puisque si le glaçon était plongé dans l'eau, le volume qu'il aurait occupé serait moins lourd qu'un même volume d'eau liquide. C'est cela qui cause le fluide alentour à comprimer le glaçon, comme pour récupérer ce volume qui lui est pris, et la force résultante de ces forces de compression est dirigée vers le haut. C'est en effet le principe d'Archimède.

Jolie remarque également :) Mais comment expliquer la salinité de l'eau en Arctique ?

Il s'avère que plusieurs facteurs rentrent en ligne de mire, dont le plus prépondérant : L'évaporation. Si l'eau s'évapore, la concentration en sels et minéraux sera plus importante dans l'eau restante, donc nous en déduisons que les zones équatoriales sont les plus salines - et donc les plus denses - puisque ce sont les plus chaudes (ce qui s'explique par la puissance rayonnée par le Soleil transmise à des surfaces plus petites). Seulement, le cas des pôles diffère, puisque la formation des glaciers dans les conditions thermodynamiques propices à leur création "prélève" de l'eau douce (c'est une question d'équilibre chimique) et laisse dans l'océan la plus grande partie des minéraux, ce qui fait que l'eau liquide en Arctique est très salée, malgré des taux d'évaporation qui y restent relativement faibles.

Pas besoin de calculs savants !

la glace d'eau flotte sur l'eau (douce ou salée parce qu'elle est moins dense que l'eau.

Quand elle fond elle devient eau et son relief au-dessus du niveau de flottaison disparaît. donc la fusion de la banquise polaire ne fait pas monter les océans.

Si vous ne me croyez pas, mettez un glaçon dans un verre et remplissez le verre à raz bord sans débordement.

laissez fondre et revenez pour observer le non débordement !

la montée du niveau des océans résulte de 2 phénomènes :

- fusion des glaces terrestres

- dilatation thermique des océans (comme dans les thermomètres à liquide.

Je t'invite à faire l'exercice pour t'apercevoir que tu n'as pas si juste que ça Cela me surprend de ta part, puisque tu ne prends pas la peine d'expliquer quoi que ce soit. Les observations et les constats sont un tremplin pour la recherche, mais il faut aussi estimer et raisonner !

Seulement, le cas des pôles diffère, puisque la formation des glaciers dans les conditions thermodynamiques propices à leur création "prélève" de l'eau douce (c'est une question d'équilibre chimique) et laisse dans l'océan la plus grande partie des minéraux, ce qui fait que l'eau liquide en Arctique est très salée, malgré des taux d'évaporation qui y restent relativement faibles.

Je t'invite à faire l'exercice pour t'apercevoir que tu n'as pas si juste que ça Cela me surprend de ta part, puisque tu ne prends pas la peine d'expliquer quoi que ce soit. Les observations et les constats sont un tremplin pour la recherche, mais il faut aussi estimer et raisonner !

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Je te ferai remarquer que la banquise est une glace de mer : l'eau y étant assez peu salée elle gèle avant -5°C et donc la banquise est une glace plutôt salée.

En revanche la calotte glaciaire (et les icebergs qui s'en détachent) est formée d'une glace d'eau douce puisqu'elle résulte des chutes de neige.

J'ai choisi de faire aucun calculs car ce forum est un forum généraliste.

Dans ce chapitre sur les sciences, je préfère que ma contribution soit comprise par le plus grand nombre plutôt que par une élite qui ne vient sans doute pas ici !

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Je te ferai remarquer que la banquise est une glace de mer : l'eau y étant assez peu salée elle gèle avant -5°C et donc la banquise est une glace plutôt salée.

En revanche la calotte glaciaire (et les icebergs qui s'en détachent) est formée d'une glace d'eau douce puisqu'elle résulte des chutes de neige.

J'ai choisi de faire aucun calculs car ce forum est un forum généraliste.

Dans ce chapitre sur les sciences, je préfère que ma contribution soit comprise par le plus grand nombre plutôt que par une élite qui ne vient sans doute pas ici !

Pourquoi parler d'élite alors que la plupart des résultats issus de ces calculs seront compréhensibles pour la plupart des personnes qui viendront ici à condition que tu les expliques bien ?

Un bon scientifique peut aussi être un bon vulgarisateur, et cela ne l'empêchera pas pour autant d'exploiter a minima la technicité scientifique si cela peut lui permettre d'étayer sa thèse avec des mots simples

Dire "plutôt salée" remet en perspective le mot plutôt sans quantification cette assertion ne vaut pas grand chose. Pour continuer sur la même volée, il est clair qu'en gelant, la glace de la banquise sera salée, mais elle s'adouçit par osmose grâce aux cours d'eau douce qui se jettent dans l'Atlantique Nord. C'est ce dont je parlais en évoquant la question de l'équilibre chimique.

.... Pour continuer sur la même volée, il est clair qu'en gelant, la glace de la banquise sera salée, mais elle s'adouçit par osmose grâce aux cours d'eau douce qui se jettent dans l'Atlantique Nord. C'est ce dont je parlais en évoquant la question de l'équilibre chimique.

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J'aimerai que tu fasses la démonstration que l'eau douce des fleuves de l'atlantique nord adoucit la banquise salée par osmose !

Ce doit être une démonstration bien fumeuse vu que l'eau douce des fleuves devient finalement salée à quelques dizaines km de l'embouchure et que la banquise arctique est à des milliers de km de ces fleuves !

le plus simple n'est-il pas de faire comme J-L Etienne : aller mesurer la composition de la glace de la banquise polaire, son épaisseur et ses mouvements plutôt que de résoudre des équations "en chambre" en appliquant les théorèmes de thermodynamique !

Je te laisses à tes équations et à tes élucubrations !

Si cette eau devient salée, l'eau qui se trouve à proximité du glacier ne s'adouçit pas un tant soit peu ?

Quant à toi, je te laisse à ta mauvaise foi ! Il est bien peu scientifique de refuser un modèle sans l'avoir testé pour mieux le critiquer, d'autant plus que mes résultats sont issus de sites spécialisés. Tu sembles oublier que mon exercice est un modèle et que, par conséquent, je propose une simplification escessive du véritable phénomène. Une simplification qui n'en reste pas moins une explication réaliste au phénomène de flottaison.

PS : j'ai proposé une masse volumique pour l'eau salée qui ne correspond pas à la valeur moyenne observée en arctique. De toute manière, la masse volumique est une variable thermo variant continûment dans l'espace selon des conditions toujours changeantes, il est aisé d'en donner une estimation puisqu'elle change relativement peu avec la salinité de l'eau. Le plus important était de constater qu'elle est toujours supérieure à la masse volumique de l'eau pure.

Je prendrais éventuellement le temps d'y réfléchir...

Suite à un échange en MP avec "Eventuellement"

il semble qu'il y ait une confusion dans l'énoncé.

L'auteur parle de "banquise terrestre"

banquise = couche de glace flottante sur la mer ou un lac.

banquise terrestre = la glace flottante sur la planète Terre.

Quand cette banquise fond elle redonne de l'eau sans augmentation de volume puisque si la glace flotte c'est qu'elle est moins dense que l'eau. cela résulte du principe d'Archimède.

Donc si toute la banquise fond sans que les glaciers terrestres ne fondent, le niveau des océans ne montera pas.

Mais comme je le crains, l'auteur appelle "banquise terrestre" la totalité des glaces sur la Terre.

Je comprends alors pourquoi il m'accuse d'être de mauvaise foi !

parce que selon lui j'aurais oublié le facteur essentiel : l'énorme volume des calotte polaires.

Evidemment que je sais que la fusion de toutes les glaces terrestres (continentales) ferait monter le niveau des océans de plus de 50 m.

Il suffit pour avoir la réponse de connaître le volume total des glaces continentales et de diviser ce volume par la surface des océans : plus de 50 m. ce qui serait catastrophique.

Je ne suis donc pas de mauvaise foi, c'est le texte qui comporte une ambiguïté !