Ca déborde ou pas ?


Enigme 3
Un glaçon flotte à la surface d'un verre rempli d'eau à ras bord. Lorsque le glaçon fond, le niveau de l'eau dans le verre ...
reste le même
augmente et l'eau déborde
diminue
on ne peut répondre, cela dépend du volume du glaçon

La réponse était : reste le même

Pour comprendre cette énigme il faut connaître et comprendre deux phénomènes :

  • Lorsque nous faisons geler de l'eau dans un verre, que constatons nous ?

    La masse de l'eau ne change pas quand elle se solidifie mais son volume varie et augmente d'environ 10 %. La masse volumique (masse pour un volume de 1 cm3) de l'eau (1g / cm3) est donc plus grande que la masse volumique de la glace (0,91 g / cm3).
    L'eau est d'ailleurs un cas très particulier car quasiment tous les liquides, au contraire, diminuent de volume quand ils deviennent solides.
    Vous vous êtes sans doute déjà aperçus de ce phénomène en oubliant, par exemple, une bouteille remplie d'eau au congélateur : la bouteille éclate car le volume de la glace est plus grand que celui de l'eau liquide.

  • Pourquoi un glaçon flotte-t-il ?
    Tout cela dépend d'un autre phénomène très connu appelé poussée d'Archimède et qui s'énonce ainsi : "Tout corps immergé dans un liquide subit de la part de ce liquide une force (appelée poussée d'Archimède) verticale orientée vers le haut égale au poids du liquide déplacé". Que cela signifie-t-il exactement ?
    Vous avez en fait sans doute déjà testé cette poussée, par exemple quand vous allez dans une piscine. Dans l'eau de la piscine, vous vous sentez plus léger que dehors car la poussée d'Archimède dirigée de bas en haut compense en partie votre poids qui est une force au contraire dirigée de haut en bas.
    Plusieurs cas sont à différencier pour bien comprendre comment agit la poussée d'Archimède.
    • la poussée d'Archimède est inférieure au poids de l'objet, l'objet coule.
      Par exemple, un objet de volume 1 L a une masse de 1,2 kg ; sa masse volumique est donc supérieure à celle de l'eau. Son poids est d'environ 12 N . D'après le principe d'Archimède, il subit une poussée égale au poids de l'eau déplacée soit 10 N inférieure à son poids.

       

    • la poussée d'Archimède est supérieure ou égale au poids de l'objet, l'objet flotte. Nous sommes ici dans le cas qui nous occupe, c'est à dire celui du glaçon qui flotte sur l'eau. Sa masse volumique (environ 0,9 g / cm3) est inférieure à celle de l'eau liquide. Le glaçon flotte alors mais de quelle façon ? En fait de part sa masse volumique, quand le glaçon est à 90 % sous l'eau, le poussée d'Archimède compense son poids.

    Pour comprendre davantage ce phénomène vous pouvez le découvrir de manière interactive ici

Maintenant nous possédons toutes les connaissances afin de résoudre l'énigme : le glaçon possède un volume à 90 % sous l'eau mais quand il fond il est remplacé par un volume d'eau liquide qui correspond à 90 % du volume du glaçon, exactement le volume qu'occupe le glaçon dans l'eau. Le niveau de l'eau dans le verre ne bouge donc pas.

Ce problème peut sembler anodin mais il permet de mieux comprendre l'actualité: il est souvent dit dans les médias que le réchauffement de la Terre va faire fondre les glaces du pôle et qu'ainsi certains pays seront engloutis. Or ceci est faux comme on vient de le voir ; en fait ce n'est pas la fonte des glaces qui va provoquer la montée des eaux des océans mais un autre phénomène très courant : un liquide se dilate (augmente de volume) quand la température augmente (phénomène à la base du principe du thermomètre à liquide)

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