Physique du primaire et du collège · Grades 1–9
36Pression atmosphérique et météo
Tu vis au fond d’un océan — un océan d’air, profond de centaines de kilomètres, dont tout le poids repose sur tes épaules. Pourquoi ne t’écrase-t-il pas ? Pourquoi ne le sens-tu même pas ? Et quel rapport tout cela a-t-il avec le temps qu’il fera demain ? L’air, notre vieil ami invisible, a encore un grand secret à livrer.
36.1 L’air a un poids
Exemple 36.1 (Peser l’invisible)
On pose un ballon de football bien gonflé sur une balance de précision et on l’équilibre exactement. Puis on ouvre sa valve et l’air en trop s’échappe en sifflant — même ballon, même valve, tout pareil, moins un peu d’air. De retour sur la balance : le ballon dégonflé est plus léger. La différence est le poids de l’air échappé. L’air est de la matière, la matière a une masse, et la masse est tirée vers le bas par la Terre : l’océan au-dessus de nous est lourd.
Définition 36.2 (L’atmosphère et sa pression)
L’atmosphère est la couche profonde d’air enveloppant la Terre tout entière. Son poids comprime l’air du fond — là où nous vivons — et l’air comprimé appuie fortement sur chaque surface qu’il touche. Cet appui s’appelle la pression atmosphérique.
Proposition 36.3 (L’appui de tous les côtés)
La pression atmosphérique appuie sur chaque surface dans toutes les directions — vers le bas sur les tables, de côté sur les murs, et même vers le haut sur les plafonds et les paumes. Et elle est puissante : sur une surface grande comme ta paume, l’air appuie à peu près aussi fort que le poids d’une grosse valise pleine. Nous ne le remarquons jamais, parce que les appuis s’équilibrent : l’air qui est en nous et derrière chaque surface repousse tout aussi fort.
Méthode 36.4 (La carte qui retient l’eau)
L’appui vers le haut de l’air, pris la main dans le sac (à faire au-dessus de l’évier) :
- remplir un verre d’eau jusqu’au bord ;
- poser à plat dessus une carte rigide et lisse, qui touche l’eau tout autour ;
- maintenir la carte en place, retourner le verre exactement à l’envers, puis lâcher doucement la carte.
La carte tient — en retenant tout le contenu du verre. Le poids de l’eau appuie sur la carte vers le bas, mais l’atmosphère appuie vers le haut plus fort encore. Tu viens de voir l’appui de la valise, par en dessous.
36.2 Des machines mues par l’atmosphère
Exemple 36.5 (La paille)
Tu crois aspirer le jus dans la paille. En vérité, on ne peut pas tirer un liquide du tout — essaie donc de tirer de l’eau avec les doigts ! Ce que tu fais réellement, c’est aspirer l’air hors de la paille. L’air parti de l’intérieur, l’atmosphère qui appuie sur le jus dans le verre pousse le jus dans la paille vide jusqu’à ta bouche. Chaque gorgée est l’atmosphère qui fait le travail ; toi, tu ne fais que dégager la route.
Exemple 36.6 (Ventouses et bouteilles écrasées)
La ventouse en caoutchouc du crochet de salle de bain est écrasée contre le carrelage, ce qui chasse l’air de dessous : l’atmosphère plaque alors la ventouse contre le mur sans que rien, derrière, ne repousse — épinglée par le ciel lui-même. Et visse le bouchon sur une bouteille en plastique vide, tout en haut d’une montagne, puis redescends dans la vallée : la bouteille se froisse comme écrasée par une main fantôme. Il y a plus d’air qui appuie dehors que d’air de montagne, raréfié, enfermé dedans — l’atmosphère gagne, et la bouteille se plie.
Exemple 36.7 (De plus en plus rare avec l’altitude)
Monte, et tu laisses une partie de l’océan au-dessous de toi : moins d’air au-dessus signifie un appui plus faible. Tes oreilles se bouchent dans un téléphérique rapide, quand la pression extérieure change ; les alpinistes suffoquent dans un air devenu rare. Et voici que le mystère du thé de montagne de l’an dernier se rend : comme l’atmosphère appuie moins sur l’eau, l’ébullition vient plus facilement — l’eau, sur les grands sommets, bout bien au-dessous de , trop tiède pour une bonne infusion.
36.3 Le baromètre et le temps qu’il fera
Définition 36.8 (Baromètre)
Un baromètre est l’instrument qui mesure la pression atmosphérique — un membre de plus dans notre famille de juges honnêtes, aux côtés du thermomètre et de la balance. Son aiguille monte quand l’atmosphère au-dessus appuie plus fort, et descend quand l’appui s’allège.
Proposition 36.9 (La pression parle de demain)
La pression de l’atmosphère ne tient pas en place : un air lourd qui descend apporte un ciel calme et clair ; un air léger qui monte invite les nuages et la pluie. Le baromètre est donc une diseuse de bonne aventure, modeste et honnête : une pression stable ou en hausse promet du beau temps ; une pression en baisse annonce l’arrivée des nuages ; une chute rapide signifie qu’une tempête est peut-être en route.
Remarque 36.10 (Les A et les D de la carte météo)
Le bulletin météo de ce soir montrera de grands tourbillons marqués A et D : des zones de haute et de basse pression qui dérivent sur la carte comme de lentes baleines. L’air s’écoule sans cesse des zones lourdes marquées A (les anticyclones) vers les zones légères marquées D (les dépressions) — et cet écoulement est le vent. Un seul chapitre, trois vieilles connaissances expliquées : la prévision du baromètre, l’origine du vent, et la raison pour laquelle tes oreilles savent quand le temps est sur le point de tourner.
36.4 Exercices
Exercice 36.1 ★
Comment l’expérience du ballon de football montre-t-elle que l’air a un poids ? Que compare-t-on exactement ?
Exercice 36.2 ★
Qu’est-ce que la pression atmosphérique, et d’où vient-elle ? Dans quelles directions appuie-t-elle ?
Solution
Solution de Exercice 36.2.
C’est l’appui de l’air comprimé, au fond de l’atmosphère, sur chaque surface qu’il touche. Elle vient du poids de l’océan d’air profond au-dessus de nous, et elle appuie dans toutes les directions — vers le bas, de côté et vers le haut.
Exercice 36.3 ★
L’atmosphère appuie sur ta paume à peu près aussi fort que pèse une valise pleine — et pourtant tu ne sens rien. Pourquoi ?
Solution
Solution de Exercice 36.3.
Parce que les appuis s’équilibrent : l’air de l’autre côté de ta paume — et à l’intérieur de ton corps — repousse exactement aussi fort. Seul un appui déséquilibré, comme sur la carte ou sur la bouteille qui se froisse, montre sa puissance.
Exercice 36.4 ★
Dans le tour de la carte, deux appuis se disputent la carte. Nomme-les, et dis lequel l’emporte.
Solution
Solution de Exercice 36.4.
Le poids de l’eau appuie sur la carte vers le bas ; l’atmosphère appuie sur la carte vers le haut. C’est l’atmosphère qui l’emporte — la carte tient, et l’eau reste enfermée.
Exercice 36.5 ★
« J’aspire le jus dans la paille. » Corrige cette phrase : qu’est-ce que tu enlèves réellement, et qui fait le travail de soulever ?
Solution
Solution de Exercice 36.5.
Tu enlèves l’air de l’intérieur de la paille. L’atmosphère, qui appuie sur le jus dans le verre, pousse alors le jus dans la paille dégagée : c’est le ciel qui soulève.
Exercice 36.6 ★
Pourquoi une ventouse adhère-t-elle au carrelage ? Qu’a-t-on chassé, et qu’est-ce qui maintient la ventouse ?
Solution
Solution de Exercice 36.6.
Écraser la ventouse a chassé l’air qui se trouvait derrière. Comme rien ne repousse par en dessous, l’appui de l’atmosphère épingle la ventouse au carrelage.
Exercice 36.7 ★
Qu’arrive-t-il à la pression atmosphérique quand on grimpe une montagne, et pourquoi ? Donne-en deux signes qu’un voyageur peut remarquer.
Exercice 36.8 ★
Que mesure un baromètre ? Le tien descend rapidement depuis le petit-déjeuner — à quoi doivent s’attendre les projets de pique-nique ?
Solution
Solution de Exercice 36.8.
L’appui de l’atmosphère — la pression atmosphérique. Une chute rapide annonce une tempête en route : repliez le pique-nique à l’intérieur.
Exercice 36.9 ★★
La bouteille fermée s’est froissée pendant la descente de la montagne. Explique le froissement avec les appuis intérieur et extérieur — et prédis : qu’arriverait-il, au contraire, à une bouteille fermée dans la vallée puis emportée vers le haut ?
Solution
Solution de Exercice 36.9.
Fermée au sommet, la bouteille a gardé à l’intérieur de l’air de montagne raréfié ; dans la vallée, l’appui extérieur est devenu plus fort que l’appui enfermé à l’intérieur, et la bouteille s’est pliée. Dans l’autre sens, une bouteille fermée dans la vallée garde à l’intérieur un air dense pendant que l’appui extérieur faiblit avec l’altitude : la bouteille se gonfle et se tend — et un paquet de chips fermé fait la même chose à chaque route de montagne.
Exercice 36.10 ★★
D’où vient le vent, d’après les tourbillons A et D de la carte météo ? Relie cela à la plus ancienne définition de ce livre : le vent est de l’air en mouvement — mis en mouvement par quoi ?
Solution
Solution de Exercice 36.10.
L’air s’écoule sans cesse des zones lourdes de haute pression vers les zones légères de basse pression, et cet écoulement est le vent. La vieille définition se complète donc d’elle-même : le vent est de l’air en mouvement — mis en mouvement par les différences de pression atmosphérique.
Exercice 36.11 ★★
Les alpinistes se plaignent que, sur les grands sommets, le thé n’infuse jamais fort et que les pâtes restent dures quelle que soit la durée de l’ébullition. Rassemble l’explication complète sur deux années : que fait l’atmosphère raréfiée à la température d’ébullition, et pourquoi bouillir plus longtemps n’y change-t-il rien ? (Deux propositions, dont une de l’an dernier, closent l’affaire.)
Solution
Solution de Exercice 36.11.
Avec l’altitude, l’appui de l’atmosphère sur l’eau faiblit, et l’ébullition vient donc plus facilement : la température d’ébullition glisse bien au-dessous de . Et, d’après la loi du palier, l’eau qui bout ne peut jamais dépasser sa température d’ébullition — une flamme plus vive ne fabrique que de la vapeur. L’eau des sommets bout donc tiède et y reste bloquée : thé faible, pâtes dures, physique satisfaite.