La masse volumique
Comprendre pourquoi certains objets flottent et d'autres coulent.
Introduction
Pourquoi une bille d’acier coule-t-elle alors qu’un énorme paquebot flotte ? Pourquoi l’huile reste-t-elle au-dessus de l’eau ? Pour répondre, il ne suffit pas de connaître la masse ou le volume d’un objet : il faut comparer les deux. C’est le rôle de la masse volumique.
L'essentiel à retenir
La masse volumique d’une substance est la masse d’un volume donné de cette substance : ρ = m ÷ V.
Elle s’exprime en g/cm³, en g/mL, en g/L ou en kg/m³. L’eau a une masse volumique de 1 g/cm³, soit 1 000 kg/m³.
Un objet plein flotte sur l’eau si sa masse volumique est inférieure à celle de l’eau ; il coule si elle est supérieure.
Explication
Prenons deux cubes de 1 cm³ : l’un en bois, l’autre en fer. Ils ont le même volume, mais le cube de fer est beaucoup plus lourd. Sa masse est d’environ 7,9 g, contre environ 0,6 g pour le bois. On dit que le fer a une masse volumique plus grande : la matière y est plus « concentrée ».
Pour calculer une masse volumique, on mesure la masse avec une balance et le volume avec une éprouvette graduée, puis on divise la masse par le volume. On note souvent la masse volumique par la lettre grecque ρ (rhô). Si 50 mL d’huile ont une masse de 46 g, sa masse volumique est ρ = 46 ÷ 50 = 0,92 g/mL.
On peut aussi utiliser la formule dans l’autre sens : m = ρ × V permet de calculer une masse, et V = m ÷ ρ permet de calculer un volume.
La masse volumique est une caractéristique de chaque substance pure : elle permet de l’identifier. L’eau a une masse volumique de 1 g/mL ; l’éthanol de 0,79 g/mL ; l’aluminium de 2,7 g/cm³ ; l’or de 19,3 g/cm³.
Elle permet de prévoir si un objet plein flotte ou coule dans un liquide. Le bois (environ 0,6 g/cm³) flotte sur l’eau, le fer coule. Pour des liquides non miscibles, le moins dense se place au-dessus : l’huile flotte sur l’eau. Un bateau en acier flotte car sa coque contient beaucoup d’air : sa masse volumique moyenne est inférieure à celle de l’eau.
Attention aux unités : 1 g/cm³ = 1 g/mL = 1 kg/L = 1 000 kg/m³.
Exemples
Eau : 1 g/mL ; 1 L d’eau a une masse de 1 kg.
Huile : environ 0,92 g/mL → elle flotte sur l’eau.
Glace : 0,92 g/cm³ → les icebergs flottent, avec environ 90 % de leur volume sous l’eau.
Un caillou de 30 cm³ a une masse de 78 g : ρ = 78 ÷ 30 = 2,6 g/cm³ → il coule.
Masse de 2 L d’huile : m = 0,92 × 2 000 = 1 840 g.
Méthode
1. Je mesure la masse m avec une balance.
2. Je mesure le volume V avec une éprouvette (par déplacement d’eau pour un solide).
3. Je calcule ρ = m ÷ V en gardant des unités cohérentes.
4. Je compare avec la masse volumique de l’eau (1 g/cm³).
5. Je conclus : flotte si ρ inférieure à 1, coule si ρ supérieure à 1.
Attention
« Lourd » et « dense » ne veulent pas dire la même chose. Un tronc d’arbre est lourd, mais il flotte, car sa masse volumique est faible. Une petite bille de plomb est légère, mais elle coule, car sa masse volumique est grande. C’est la masse volumique qui compte, pas la masse.
Résumé de la notion
La masse volumique ρ = m ÷ V indique la masse d’un volume donné de substance. Celle de l’eau vaut 1 g/cm³. Elle permet d’identifier une substance et de prévoir si un objet plein flotte (ρ inférieure à celle du liquide) ou coule (ρ supérieure).
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