Sciences de l'ingénieur · 2ème Année Bac — Sciences et Technologies Mécaniques
Hydrostatique
Le cours expliqué simplement, les questions que tous les élèves se posent et des exercices type examen national. Programme marocain, gratuit.
📘 Fiche de cours
L'essentiel du cours
L'hydrostatique étudie les fluides au repos.
Pression ($P$) : Rapport d'une force pressante $F$ sur une surface $S$. $P = \frac{F}{S}$ (en Pascal, Pa).
Loi fondamentale de la statique des fluides : La différence de pression entre deux points $A$ et $B$ est : $P_B - P_A = \rho \cdot g \cdot (z_A - z_B)$.
Théorème de Pascal : Une pression appliquée en un point d'un fluide incompressible se transmet intégralement dans toutes les directions.
Principe d'Archimède : Tout corps plongé dans un fluide subit une force verticale, dirigée vers le haut, égale au poids du volume de fluide déplacé : $F_A = \rho_{fluide} \cdot V_{immerge} \cdot g$.
Méthodes à maîtriser
Calcul de pression : Toujours convertir les unités en unités SI ($N/m^2$ pour la pression, $kg/m^3$ pour la masse volumique, $m$ pour la hauteur).
Utilisation du manomètre : Identifier les surfaces $S_1$ et $S_2$ pour appliquer $F_1/S_1 = F_2/S_2$.
Bilan des forces : Pour les problèmes de flottabilité, faire le bilan (Poids, Poussée d'Archimède) et appliquer le PFD (somme des forces = 0).
Exemples corrigés
Exemple 1 : Une force de 500 N est appliquée sur un piston de $0,01 m^2$. Quelle est la pression ?
$P = F/S = 500 / 0,01 = 50 000 Pa = 0,5 bar$.
Exemple 2 : Calculer la pression à 10m de profondeur dans l'eau ($\rho = 1000 kg/m^3$, $g=9,81 m/s^2$).
$P = P_{atm} + \rho \cdot g \cdot h = 101325 + 1000 \cdot 9,81 \cdot 10 = 199 425 Pa$.
Erreurs fréquentes
Oublier d'ajouter la pression atmosphérique ($P_{atm}$) dans les calculs de pression absolue.
Confondre la masse volumique du fluide et celle de l'objet.
Utiliser des unités non-SI (ex: cm au lieu de m pour la hauteur).
Quelle est l'unité de la pression dans le système international ?
❓ Questions fréquentes
Est-ce que la pression dépend de la forme du récipient ?
Non, la pression en un point d'un fluide au repos ne dépend que de la profondeur ($h$) et de la masse volumique du fluide ($\rho$). La forme du récipient n'influence pas la pression à une profondeur donnée.
💡 À retenir : $P = P_{atm} + \rho \cdot g \cdot h$.
Kifach n7seb la poussée d'Archimède ila kan l'objet ghir mghattas chwiya ?
Pour calculer la poussée d'Archimède, tu dois uniquement prendre en compte le volume de la partie immergée ($V_{immerge}$).
Calcule le volume de la partie sous l'eau.
Multiplie par la masse volumique du liquide et par $g$.
Pourquoi on utilise souvent l'huile dans les systèmes hydrauliques ?
L'huile est utilisée car elle est incompressible, ce qui permet de transmettre les efforts instantanément, et elle lubrifie les composants du système (vérins, pompes) pour éviter l'usure.
💡 À retenir : Un fluide incompressible est indispensable pour la transmission de puissance hydraulique.
Chno hiya la différence bin pression relative et pression absolue ?
La pression absolue est la pression totale (incluant l'air extérieur). La pression relative (ou manométrique) est la pression mesurée par rapport à la pression atmosphérique.
$P_{abs} = P_{rel} + P_{atm}$.
En général, $P_{atm} \approx 10^5 Pa$.
💡 À retenir : $P_{rel} = P_{abs} - P_{atm}$.
Est-ce que la pression est la même partout dans un circuit fermé ?
Oui, selon le principe de Pascal, si le fluide est au repos, une variation de pression appliquée en un point est transmise intégralement à tous les points du fluide.
💡 À retenir : En statique, $P_1 = P_2$ si les points sont à la même hauteur.
Il faut comparer le poids de l'objet ($P = m \cdot g$) et la poussée d'Archimède maximale ($F_{A,max} = \rho_{liquide} \cdot V_{total} \cdot g$).
Si $P > F_{A,max}$, l'objet coule.
Si $P \leq F_{A,max}$, l'objet flotte.
💡 À retenir : La densité de l'objet par rapport au fluide détermine la flottabilité.
Est-ce que la température change la pression dans un liquide ?
Oui, car la température modifie la masse volumique ($\rho$) du fluide (dilatation). Cependant, dans les exercices de niveau bac, on considère souvent le fluide comme incompressible. (à vérifier par le professeur).
💡 À retenir : En statique simple, on considère $\rho$ constant.
Quelle est l'unité de la pression dans le système international ?
L'unité est le Pascal (Pa).
$1 Pa = 1 N/m^2$.
On utilise souvent le bar ($1 bar = 10^5 Pa$).
💡 À retenir : Toujours convertir en Pascal pour les calculs.
Est-ce que la poussée d'Archimède dépend de la profondeur ?
Non, la poussée d'Archimède ne dépend que du volume immergé et de la masse volumique du fluide, pas de la profondeur à laquelle l'objet se trouve.
💡 À retenir : $F_A$ est constante tant que le volume immergé ne change pas.
Si j'ai deux pistons de surfaces différentes, comment calculer la force ?
Tu utilises le principe de Pascal : la pression est identique sous les deux pistons.
$P_1 = P_2$
$F_1 / S_1 = F_2 / S_2$
Donc $F_2 = F_1 \cdot (S_2 / S_1)$.
💡 À retenir : Le rapport des surfaces permet de multiplier l'effort.
Est-ce que le poids de l'objet joue un rôle dans la pression au fond du récipient ?
Oui, le poids de la colonne de liquide au-dessus du point considéré crée la pression hydrostatique. Le poids de l'objet immergé peut aussi augmenter la pression globale si le récipient est fermé.
💡 À retenir : $P = P_{atm} + \rho \cdot g \cdot h$.
Comment convertir les bars en Pascals ?
C'est très simple : il suffit de multiplier par $10^5$.
$1 bar = 100 000 Pa$.
$5 bar = 500 000 Pa$.
💡 À retenir : $1 bar = 10^5 Pa$.
✍️ Exercices type examen national
Exercice 1
Un vérin hydraulique possède un piston de surface $S_1 = 20 cm^2$ et un piston de sortie $S_2 = 100 cm^2$. On applique une force $F_1 = 150 N$ sur le petit piston. Calculer la force $F_2$ exercée par le grand piston.
Un réservoir d'eau est ouvert à l'air libre. Calculer la pression absolue au fond du réservoir sachant que la hauteur d'eau est de 5 m. On donne : $\rho = 1000 kg/m^3$, $g = 9,81 m/s^2$, $P_{atm} = 101325 Pa$.
Un cube en acier de côté $a = 0,2 m$ est totalement immergé dans l'eau ($\rho = 1000 kg/m^3$). Calculer la poussée d'Archimède subie par le cube. ($g = 9,81 m/s^2$).
Pression (P) : Rapport d'une force pressante F sur une surface S. P=SF (en Pascal, Pa).
Loi fondamentale de la statique des fluides : La différence de pression entre deux points A et B est : PB−PA=ρ⋅g⋅(zA−zB).
Théorème de Pascal : Une pression appliquée en un point d'un fluide incompressible se transmet intégralement dans toutes les directions.
Principe d'Archimède : Tout corps plongé dans un fluide subit une force verticale, dirigée vers le haut, égale au poids du volume de fluide déplacé : FA=ρfluide⋅Vimmerge⋅g.
Méthodes à maîtriser
Calcul de pression : Toujours convertir les unités en unités SI (N/m2 pour la pression, kg/m3 pour la masse volumique, m pour la hauteur).
Utilisation du manomètre : Identifier les surfaces S1 et S2 pour appliquer F1/S1=F2/S2.
Bilan des forces : Pour les problèmes de flottabilité, faire le bilan (Poids, Poussée d'Archimède) et appliquer le PFD (somme des forces = 0).
Exemples corrigés
Exemple 1 : Une force de 500 N est appliquée sur un piston de 0,01m2. Quelle est la pression ?
P=F/S=500/0,01=50000Pa=0,5bar.
Exemple 2 : Calculer la pression à 10m de profondeur dans l'eau (ρ=1000kg/m3, g=9,81m/s2).
P=Patm+ρ⋅g⋅h=101325+1000⋅9,81⋅10=199425Pa.
Erreurs fréquentes
Oublier d'ajouter la pression atmosphérique (Patm) dans les calculs de pression absolue.
Confondre la masse volumique du fluide et celle de l'objet.
Utiliser des unités non-SI (ex: cm au lieu de m pour la hauteur).
Non, la pression en un point d'un fluide au repos ne dépend que de la profondeur (h) et de la masse volumique du fluide (ρ). La forme du récipient n'influence pas la pression à une profondeur donnée.
💡 À retenir : P=Patm+ρ⋅g⋅h.
Pour calculer la poussée d'Archimède, tu dois uniquement prendre en compte le volume de la partie immergée (Vimmerge).
Calcule le volume de la partie sous l'eau.
Multiplie par la masse volumique du liquide et par g.
💡 À retenir : FA=ρliquide⋅Vimmerge⋅g.
La pression absolue est la pression totale (incluant l'air extérieur). La pression relative (ou manométrique) est la pression mesurée par rapport à la pression atmosphérique.
Pabs=Prel+Patm.
En général, Patm≈105Pa.
💡 À retenir : Prel=Pabs−Patm.
Oui, selon le principe de Pascal, si le fluide est au repos, une variation de pression appliquée en un point est transmise intégralement à tous les points du fluide.
💡 À retenir : En statique, P1=P2 si les points sont à la même hauteur.
Il faut comparer le poids de l'objet (P=m⋅g) et la poussée d'Archimède maximale (FA,max=ρliquide⋅Vtotal⋅g).
Si P>FA,max, l'objet coule.
Si P≤FA,max, l'objet flotte.
💡 À retenir : La densité de l'objet par rapport au fluide détermine la flottabilité.
Oui, car la température modifie la masse volumique (ρ) du fluide (dilatation). Cependant, dans les exercices de niveau bac, on considère souvent le fluide comme incompressible. (à vérifier par le professeur).
💡 À retenir : En statique simple, on considère ρ constant.
L'unité est le Pascal (Pa).
1Pa=1N/m2.
On utilise souvent le bar (1bar=105Pa).
💡 À retenir : Toujours convertir en Pascal pour les calculs.
Non, la poussée d'Archimède ne dépend que du volume immergé et de la masse volumique du fluide, pas de la profondeur à laquelle l'objet se trouve.
💡 À retenir : FA est constante tant que le volume immergé ne change pas.
Tu utilises le principe de Pascal : la pression est identique sous les deux pistons.
P1=P2
F1/S1=F2/S2
Donc F2=F1⋅(S2/S1).
💡 À retenir : Le rapport des surfaces permet de multiplier l'effort.
Oui, le poids de la colonne de liquide au-dessus du point considéré crée la pression hydrostatique. Le poids de l'objet immergé peut aussi augmenter la pression globale si le récipient est fermé.
💡 À retenir : P=Patm+ρ⋅g⋅h.
C'est très simple : il suffit de multiplier par 105.
1bar=100000Pa.
5bar=500000Pa.
💡 À retenir : 1bar=105Pa.
Exercice 1
Un vérin hydraulique possède un piston de surface S1=20cm2 et un piston de sortie S2=100cm2. On applique une force F1=150N sur le petit piston. Calculer la force F2 exercée par le grand piston.
Exercice 2
Un réservoir d'eau est ouvert à l'air libre. Calculer la pression absolue au fond du réservoir sachant que la hauteur d'eau est de 5 m. On donne : ρ=1000kg/m3, g=9,81m/s2, Patm=101325Pa.
Exercice 3
Un cube en acier de côté a=0,2m est totalement immergé dans l'eau (ρ=1000kg/m3). Calculer la poussée d'Archimède subie par le cube. (g=9,81m/s2).