I - La Pression Atmosphérique : une notion physique fondamentale

 

  1) Qu’est-ce que la Pression Atmosphérique ?

 

Définition de la notion :

Le terme « pression » désigne une force appliquée sur une surface.

Le terme « atmosphérique » a trait à l’atmosphère et donc à l’air.

La Terre est entourée d’une couche d’air appelée atmosphère qui mesure plusieurs kilomètres d’épaisseur. L’atmosphère n’a pas de limite définie mais plus on s’éloigne de la Terre, plus l’air devient rare. 

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Cette couche d’air, de plusieurs kilomètres au-dessus de nos têtes et autour de nous exerce une pression : c’est la pression atmosphérique. Le poids de l’air exerce donc à la surface de la Terre une force.

fleche.jpgLa Pression Atmosphérique (que nous désignerons PA pour simplifier) est donc la pression qu’exerce l’air autour de nous. C’est le poids de la colonne d’air au-dessus de nous. Ainsi, une colonne d’air de section 1 m², du sol jusqu’au sommet de l’atmosphère, a une masse de 10 000 kg soit la masse d’environ huit automobiles. C’est un peu comme si, à chaque instant, nous avions l’équivalent de 10 mètres d’eau sur nos épaules !

La PA est une notion utilisée en physique, elle permet de définir une force appliquée sur une surface. La pression est perpendiculaire à la surface sur laquelle elle s’exerce.

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L’air n’est pas « rien ». L’air est composé de nombreuses particules comme : l’eau, l’azote, l’oxygène… Le poids de ce mélange appuie sur la terre, c’est-ce que l’on appelle la PA.

Une couche d’air englobe notre terre et exerce une pression sur elle.

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En effet, l’air est constitué de gaz. Or on sait que les gaz n’ont pas de volume défini, ils occupent le plus d’espace possible.

C’est ce phénomène de toujours vouloir s’étendre qui crée la PA.      

Un constat : la PA n’est pas la même partout :

La PA va augmenter si : la température augmente, si la quantité de gaz augmente ou encore si le volume de gaz diminue.

En plaine, la PA est approximativement d’1 kg par cm2 ou de 10 tonnes/ m2.

Au niveau de la mer : la couche d’air qui appuie sur la terre est la plus épaisse et donc la pression est la plus élevée.

Au contraire, en altitude : plus on monte en altitude, plus l’épaisseur de la couche d’air diminue et donc moins la PA est élevée. 

En témoigne le schéma ci-dessous :

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Quelle est l’unité de mesure de la PA ?

La pression est une grandeur. Elle est définie comme le quotient d’une force par une surface.

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Son unité dans le système international est le Pascal (rendant hommage au savant du 17è siècle). 1 pascal = 1 N/m2 où N, le Newton, est l'unité de mesure de la force. 

On voit que le pascal représente bien une force par unité de surface, c'est-à-dire, une pression.

En météorologie, on utilise plutôt un multiple du pascal, l'hectopascal (hPa), pour les mesures de la pression atmosphérique.

1 hPa = 100 pascals.

Anciennement, on utilisait le millibar comme unité de mesure pour la pression.

1 millibar (mb) = 1 hectopascal (hPa)

La PA moyenne au niveau de la mer est de 1013 hPA ou 760 millimètre de mercure.  

 

 

 2) Mise en évidence de la PA autour de nous

Nous vivons en permanence dans un champ de pression. Nous n’avons pas conscience de la PA qui nous entoure alors même que celle-ci est énorme.

L’Atmosphère exerce une pression sur la Terre et sur tous les objets qui s’y trouvent.

Plusieurs petites expériences nous permettent de mettre en évidence l’existence de cette PA.

Une expérience très simple : consiste à prendre un yaourt et à l’observer dans deux situations différentes. Vous êtes dans une ville de montagne et vous achetez des yaourts. Si vous montez en altitude, vous allez observer que les yaourts achetés dans la vallée vont être gonflés. Ceci s’explique par l’existence de la PA. En effet, ils sont gonflés car la PA a diminué avec l’altitude et l’air a l’intérieur du yaourt pousse.

Plusieurs autres expériences montrent l’existence de cette PA autour de nous, nous en réaliserons une devant vous lors de notre oral de TPE ! 

 

 3) Historique de la découverte de la Pression atmosphérique

L’homme n’a découvert que relativement récemment l’existence de la pression atmosphérique. Le physicien italien Evangelista Torricelli, ami de Galilée, observe que la hauteur du mercure dans un tube varie en fonction de la pression atmosphérique. En 1648, Pascal approfondira cette découverte, d'où le nom des unités de mesure "pascal" et "hectopascal".

 

Plusieurs dates clés sont en effet à retenir :

En 1594 : Galilée, née à Pise en Italie, obtient un brevet sur une machine destinée à pomper l'eau d'une rivière pour irriguer les terres. Le cœur de la pompe était une seringue. Galilée découvre que la limite jusqu'où l'eau montait dans la pompe aspirante était de 10 mètres, sans toutefois pouvoir expliquer ce phénomène. Les scientifiques se sont alors attachés à découvrir la cause de ce phénomène.

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Galilée

 

En 1644 : Evangelista Torricelli (1608/1647), physicien italien, démontre l’existence de la pression atmosphérique.

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Torricelli

 

Torricelli remplit de mercure un tube de 1 m de long, hermétiquement fermé à une extrémité, et le place à la verticale en plongeant l'extrémité ouverte dans une cuve pleine de mercure. La colonne de mercure descendait invariablement jusqu'à environ 760 mm, laissant un espace au-dessus de cette limite. Torricelli attribue ce phénomène à une force pesant sur la surface de la Terre, sans savoir d'où elle provenait. Il en a également conclu que l'espace laissé dans la partie supérieure du tube était vide.

shema-mercure-2.jpgUn tube rempli de mercure est retourné sur une cuve pleine de mercure : le mercure reste dans le tube sur une hauteur variable selon la pression atmosphérique (76 cm sous la pression atmosphérique normale). L'élève de Galilée vient d'inventer un dispositif permettant de mesurer la pression atmosphérique par la hauteur d'une colonne de mercure. Le baromètre est né !

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Ceci au moyen d’un instrument : le baromètre à mercure, en mesurant la hauteur d’une colonne de mercure dans un tube en verre qui subit la poussée de la pression de l’air.

Voir plus en détail le fonctionnement du baromètre à mercure dans le 1) du II : Les différentes sortes de baromètres et leur évolution.

 

En 1648 : Blaise Pascal,  philosophe, physicien et mathématicien français, met en évidence que la pression atmosphérique varie en fonction de l’altitude.

blaise-pascal-2.jpgBlaise Pascal

 

Ayant entendu parler des expériences de Torricelli, Pascal cherchait l'origine des découvertes de Galilée et de Torricelli. Il est parvenu à la conviction que la force qui maintenait la colonne à 760 mm était le poids de l'air situé au-dessus. Ainsi, sur une montagne, la force devait être diminuée du poids de l'air existant entre la vallée et la montagne. Il a prévu que la hauteur des colonnes diminuerait, ce qu'il a prouvé par ses expériences menées sur le Puy de Dôme, au centre de la France. Expérience expliquée par le schéma ci-dessous.

En partant de la diminution ainsi constatée, il a pu calculer le poids de l'air.

C'est grâce à ce grand physicien que nous savons que la pression atmosphérique à un niveau quelconque est égale au poids d'une colonne d'air de surface horizontale 1 m2 située au-dessus de ce niveau, s'étendant jusqu'au sommet de l'atmosphère  (voir autre schéma ci-après). Pascal a également établi que cette force, qu'il a appelée "pression", agissait uniformément dans tous les sens. Blaise Pascal démontre donc que la pression atmosphérique varie en fonction de l’altitude.

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