La pression atmosphérique
Objectifs
À la fin de ce chapitre, vous saurez :
• mettre en évidence l'existence de la pression atmosphérique ;
• expliquer l'expérience de Torricelli et calculer patm = ρ.g.H ;
• utiliser les unités de pression (Pa, hPa, mbar, bar, mm de mercure) et décrire les baromètres ;
• décrire les variations de la pression atmosphérique avec l'altitude, le lieu et le temps ;
• lire une carte météorologique (isobares, anticyclones, dépressions, fronts) pour prévoir le temps.
Prérequis : pression, forces pressantes, principe fondamental de l'hydrostatique.
Situation de départ
Au retour d'une randonnée en montagne, une bouteille en plastique vide, fermée au sommet, est toute écrasée dans la vallée. Quand l'avion descend, on a les oreilles qui « bourdonnent », et l'on avale pour les déboucher. On boit avec une paille, et une ventouse reste collée à une vitre.
Quel est le point commun de toutes ces observations ?
I. L'existence de la pression atmosphérique
1. Quelques expériences
• Le verre retourné : un verre plein d'eau à ras bord, fermé par un carton léger, est retourné : le carton reste collé et l'eau ne tombe pas. L'air pousse le carton vers le haut.
• Le crève-vessie : une membrane ferme un cylindre dont on retire l'air avec une pompe : elle se creuse vers l'intérieur puis éclate, sous l'action de l'air extérieur.
• Le bidon écrasé : on chauffe un bidon métallique ouvert contenant un peu d'eau, on le ferme puis on le laisse refroidir : la vapeur se condense, la pression intérieure diminue, et l'air extérieur écrase le bidon.
• La ventouse : en l'appliquant, on chasse l'air qu'elle contient ; l'air extérieur la presse contre la vitre.
2. Les hémisphères de Magdebourg
En 1654, Otto von Guericke fit le vide dans une sphère formée de deux hémisphères métalliques simplement emboîtés : deux attelages de chevaux, tirant en sens opposés, ne purent les séparer. Il suffisait d'ouvrir le robinet pour qu'ils se séparent sans effort.
L'air de l'atmosphère exerce sur tous les corps qu'il touche des forces pressantes, perpendiculaires aux surfaces : il règne en tout point de l'air une pression appelée pression atmosphérique patm. Sur les deux faces d'une paroi entourée d'air, ces forces se compensent : c'est pourquoi on ne les remarque pas.
Avec patm ≈ 1,0.105 Pa, l'air exerce sur une surface de 1 cm2 = 1,0.10-4 m2 une force F = p.S ≈ 10 N, et sur 1 dm2 une force de 1 000 N, le poids d'une masse de 100 kg !
II. La mesure de la pression atmosphérique
1. L'expérience de Torricelli (1643)
Un tube de verre d'environ 1 m, fermé à un bout, est rempli de mercure, bouché, retourné sur une cuve de mercure puis débouché. Le mercure descend et s'arrête à une hauteur H ≈ 76 cm au-dessus de la surface libre de la cuve ; au-dessus, il reste pratiquement le vide. H ne dépend ni de la forme, ni de la section, ni de l'inclinaison du tube.
Appliquons le principe fondamental de l'hydrostatique entre A (surface libre de la cuve, à la pression patm) et B (surface du mercure dans le tube, où règne le vide : pB ≈ 0) :
L'eau étant 13,6 fois moins dense que le mercure, la colonne d'eau soutenue par l'atmosphère mesurerait 13,6 × 0,76 ≈ 10,3 m. C'est pourquoi une pompe aspirante placée en haut d'un puits ne peut pas remonter l'eau de plus de 10 m environ : elle ne fait que diminuer la pression au-dessus de l'eau, et c'est l'atmosphère qui pousse l'eau dans le tuyau.
Les vapeurs de mercure sont toxiques : on ne manipule jamais le mercure en classe sans précautions. Les baromètres à mercure sont aujourd'hui remplacés par des baromètres électroniques.
2. Les unités de pression
Dans le Système international, la pression s'exprime en pascals (Pa). En météorologie on utilise l'hectopascal (1 hPa = 100 Pa), égal au millibar (1 mbar = 1 hPa) ; on rencontre aussi le bar (105 Pa), l'atmosphère (atm) et le millimètre de mercure (mmHg), hauteur de la colonne d'un baromètre à mercure.
C'est la pression qui correspond à une hauteur barométrique de 760 mm de mercure :
3. Les baromètres
Les principaux baromètres
| Baromètre | Principe | Qualités et défauts |
|---|---|---|
| à mercure | on mesure la hauteur H de la colonne, tube vertical, zéro de la règle au niveau de la cuve | précis, sert d'étalon ; fragile, encombrant, mercure toxique |
| anéroïde (métallique) | boîte métallique vide dont le couvercle ondulé se déforme ; des leviers amplifient le mouvement et font tourner une aiguille | pratique, « baromètre d'appartement » ; étalonné avec un baromètre à mercure |
| enregistreur (barographe) | baromètre anéroïde dont l'aiguille porte une plume qui trace la pression sur un tambour tournant | enregistre les variations au cours du temps |
| électronique | un capteur transforme la pression en tension électrique ; affichage numérique | robuste, compact, précis et très sensible |
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