Les métaux ne coulent pas dans l'eau. Pourquoi les navires de fer ne coulent-ils pas ? Les métaux les plus légers du monde

25.10.2019

Pourquoi les navires peuvent-ils marcher sur l'eau ?

Il existe plusieurs raisons.

1. Densité

Expérience 1

Nous savons tous que si vous jetez une planche de bois dans l’eau, elle reposera à sa surface, mais une tôle de même taille commencera immédiatement à couler.

Pourquoi cela arrive-t-il? Ceci n'est pas déterminé par le poids de l'objet, mais par sa densité. La densité est la masse d'une substance contenue dans un certain volume.

Expérience 2

Nous avons pris des cubes de même taille 70x40x50 mm provenant de différents matériaux - métal, bois, pierre et mousse et les avons pesés. Et ils ont vu que les cubes ont des poids différents, et donc des densités différentes.

Poids du cube à partir de :

pierre – 264g.,
mousse de polystyrène - 3 g.,
métal - 1020 gr.,
bois – 70 gr.

Ils en ont conclu que parmi les cubes, le matériau le plus dense est le métal, suivi de la pierre, du bois et de la mousse.

Expérience 3

Que se passe-t-il si ces cubes sont placés dans l'eau ? Comme le montre l'expérience, la pierre et le métal ont coulé - leur densité est supérieure à la densité de l'eau, mais pas la mousse et le bois - leur densité est inférieure à la densité de l'eau. Cela signifie que tout objet flottera si sa densité est inférieure à la densité de l'eau.

Par conséquent, pour qu’un navire flotte sur l’eau, il doit être conçu de manière à ce que sa densité soit inférieure à la densité de l’eau. Supposons que nous le fabriquions à partir d'un matériau qui a une densité inférieure à la densité de l'eau et qui ne coule pas - par exemple, à partir de bois. L'histoire nous apprend que les gens fabriquaient d'abord des radeaux, puis des bateaux, en bois, en utilisant la propriété du bois : la flottabilité.

Aujourd’hui, nous voyons de nombreux navires en métal, mais ils ne coulent pas. La raison en est que leur corps est rempli d’air. L'air est une substance beaucoup moins dense que l'eau. Le navire développe, pour ainsi dire, une densité totale, totale d'air et de métal. En conséquence, la densité moyenne du navire, ainsi que l’énorme volume d’air présent dans sa coque, deviennent inférieures à la densité de l’eau. C'est pourquoi un navire lourd ne coule pas. Confirmons cela par l'expérience.

Expérience 4

Abaissons une feuille de métal plate dans l'eau - elle coule immédiatement, mais tout navire avec des côtés reste à flot - une réserve de flottabilité s'y forme. Vous pouvez même y mettre une charge.

Les équipements de sauvetage fonctionnent également : un gilet ou un cercle porté par une personne. Avec leur aide, il est possible de rester à flot jusqu'à l'arrivée des sauveteurs.

2. Force de flottabilité

De plus, une force de poussée agit sur un corps immergé dans l’eau. Sur la figure, nous voyons que les forces de pression agissent sur le corps de tous les côtés :

Forces agissant dans la direction horizontale, c'est-à-dire à bord du navire, se compensent mutuellement. La pression exercée sur la surface inférieure – en bas – dépasse la pression exercée sur le dessus. En conséquence, une force de poussée ascendante apparaît.

Cela ressort clairement de l’expérience suivante.

Expérience 5

Une balle contenant de l'air, immergée dans l'eau, s'en échappe avec force.

Cela agit sur le ballon comme une force de poussée (force d'Archimède). C'est ce qui maintient le navire à flot et lui permet de flotter.

1-Forces de maintien ; 2-Pression de l'eau à bord du navire

De quoi dépend l’action de la poussée d’Archimède ?

D'abord- cela dépend du volume du navire et, deuxièmement, de la densité de l'eau dans laquelle flotte le navire. Cette force est d’autant plus grande que le volume du corps immergé est important. Vérifions cela avec l'expérience.

Expérience 6

On met un petit poids sur une planche flottante et ils coulent. Mais le volume d’un bateau pneumatique est bien plus important, et il peut même accueillir plusieurs personnes.

Deuxième— la force de poussée change avec l'augmentation de la densité de l'eau. La densité de l’eau peut être augmentée en la salant très, beaucoup.

Prouvons-le avec l'expérience suivante.

Le mot « métal » est souvent associé à la lourdeur. C'est loin d'être vrai. Tous les métaux ont des propriétés très différentes. Certains d’entre eux sont si légers qu’ils ne coulent même pas dans l’eau. Quel métal est le plus léger ? Quelles sont ses propriétés ? Découvrons-le.

Les métaux les plus légers du monde

Les métaux de faible densité sont appelés légers. Ce n’est en aucun cas un événement rare. Les substances présentant de telles caractéristiques représentent environ 20 % de la masse de la croûte terrestre. Ils sont activement exploités et largement utilisés dans l’industrie.

Le métal le plus léger est le lithium. En plus de sa masse atomique la plus faible, elle possède également la densité la plus faible, deux fois inférieure à celle de l’eau. Après le lithium viennent le potassium, le sodium, l'aluminium, le rubidium, le césium, le strontium, etc. Il s'agit notamment du titane, qui possède la résistance la plus élevée parmi les métaux.

L'aluminium est également léger et durable. C'est le troisième plus répandu dans la croûte terrestre. Jusqu’à ce que les gens apprennent à l’obtenir industriellement, le métal était plus cher que l’or. De nos jours, un kilogramme d’aluminium peut être acheté pour environ 2 dollars. Il est utilisé à la fois dans l'industrie des fusées et dans l'industrie militaire, ainsi que pour la fabrication de papier d'aluminium alimentaire et d'articles de cuisine.

Lithium

Le lithium fait partie du premier groupe du tableau périodique des éléments. Il est le numéro 3, après l'hydrogène et l'hélium, et possède la plus petite masse atomique de tous les métaux. Une substance simple - le lithium, dans des conditions normales, a une couleur blanc argenté.

C'est le métal alcalin le plus léger avec une densité de 0,534 g/cm³. De ce fait, il flotte non seulement dans l'eau, mais aussi dans le kérosène. Pour son stockage, on utilise généralement de la paraffine, de l'essence, des huiles minérales ou de l'éther de pétrole. Le lithium est très mou et ductile et peut être facilement coupé avec un couteau. Pour faire fondre ce métal, il faut le chauffer à une température de 180,54 °C. Il ne bouillira qu'à 1340 °C.

Il n’existe que deux isotopes stables du métal dans la nature : le lithium-6 et le lithium-7. En plus d'eux, il existe 7 isotopes artificiels et 2 isomères nucléaires. Le lithium est un produit intermédiaire dans la réaction de conversion de l'hydrogène en hélium, participant ainsi au processus de formation de l'énergie stellaire.

Réactions avec le lithium

Compte tenu de sa nature alcaline, on peut supposer qu’il est très actif. Cependant, le métal est le représentant le plus calme de son groupe. À température ambiante normale, le lithium réagit faiblement avec l'oxygène et de nombreuses autres substances. Il montre son « caractère violent » après chauffage, puis il réagit avec les acides, divers gaz et bases.

Contrairement à d’autres métaux alcalins, il réagit légèrement avec l’eau, formant de l’hydroxyde et de l’hydrogène. Il n'y a pratiquement aucune réaction avec l'air sec. Mais s'il est humide, le lithium réagit lentement avec ses gaz, formant du nitrure, du carbonate et de l'hydroxyde.

À certaines températures, le métal le plus léger est actif avec l'ammoniac, l'alcool éthylique, les halogènes, l'hydrogène, le carbone, le silicium et le soufre.

Alliages de lithium

Les propriétés du lithium valorisent certaines qualités des métaux, c'est pourquoi il est souvent utilisé dans les alliages. Sa réaction avec les oxydes, l'hydrogène et les sulfures est utile. Lorsqu'il est chauffé, il forme avec eux des composés insolubles, faciles à extraire des métaux en fusion, les purifiant de ces substances.

Pour donner à l'alliage résistance à la corrosion et ductilité, il est mélangé avec du magnésium et de l'aluminium. Le cuivre qui y est allié devient plus dense et moins poreux et conduit mieux l'électricité. Le métal le plus léger augmente la dureté et la ductilité du plomb. En même temps, cela augmente le point de fusion de nombreuses substances.

Grâce au lithium, le métal devient durable et résistant aux dommages. En même temps, cela ne les alourdit pas. C'est pourquoi les alliages qui en découlent sont utilisés dans l'ingénierie spatiale et l'aviation. Des mélanges avec du cadmium, du cuivre, du scandium et du magnésium sont principalement utilisés.

Trouver dans la nature et le sens

Le métal le plus léger contient environ 30 minéraux, mais seuls 5 d'entre eux sont utilisés dans l'industrie : la pentalite, l'amblygonite, la lépidolite, la zinnwaldite et le spodumène. De plus, il est situé dans des lacs salés. Au total, la croûte terrestre contient 0,005 % de ce métal.

D’importantes réserves industrielles de lithium se trouvent sur tous les continents. Il est extrait au Brésil, en Australie, en Afrique du Sud, au Canada, aux États-Unis et dans d'autres pays. Après quoi, il est utilisé dans l’électronique, la métallurgie, les matériaux laser, l’énergie nucléaire et même la médecine.

Dans notre corps, on le trouve dans le foie, le sang, les poumons, les os et d’autres organes. Le manque de lithium entraîne des troubles du fonctionnement du système nerveux et du cerveau. Il augmente la résistance de l'organisme aux maladies et active l'activité des enzymes. On l'utilise pour lutter contre la maladie d'Alzheimer, les troubles mentaux, la sclérose et diverses addictions.

Toxicité

Malgré le rôle biologique important du lithium dans notre organisme, il peut être dangereux. Le métal le plus léger est assez toxique et peut provoquer des intoxications. Lorsqu'il est brûlé, il provoque une irritation et un gonflement des muqueuses. Si un morceau de métal entier tombe dessus, la même chose se produira.

Le lithium ne doit pas être manipulé sans gants. En interagissant avec l’humidité de l’air ou l’humidité de la peau, il provoque facilement des brûlures. Il faut être encore plus prudent avec le métal en fusion, car son activité augmente considérablement. Lorsque vous travaillez avec, vous devez vous rappeler qu'il s'agit d'un alcali. Vous pouvez réduire son effet sur la peau avec du vinaigre ordinaire.

Dans l’organisme, le lithium augmente la stabilité du système immunitaire et améliore le fonctionnement du système nerveux. Mais son excès s'accompagne de vertiges, de somnolence et d'une perte d'appétit. L'empoisonnement aux métaux entraîne une diminution de la libido, une faiblesse musculaire et une prise de poids. Dans ce cas, la vision et la mémoire peuvent se détériorer et un coma peut survenir. Lorsque vous travaillez avec du lithium, vous devez toujours porter des gants, une combinaison de protection et des lunettes.

) en collaboration avec des spécialistes de l'École polytechnique d'ingénierie de l'Université de New York, ont créé un nouveau composite métallique si léger qu'il peut flotter sur l'eau sans couler.

Le composite à matrice en alliage de magnésium est ce qu'on appelle une mousse syntactique, un type de matériau composite créé en remplissant une matrice métallique, polymère ou céramique de particules creuses. Dans ce cas, la matrice en alliage de magnésium est remplie de particules creuses de carbure de silicium développées par DST. Autrement dit, c'est une sorte de mousse métallique.

Les scientifiques affirment que le résultat est la mousse syntaxique la plus légère au monde avec une matrice métallique. La structure « mousse » permet au matériau d'avoir une densité de 0,92 gramme par centimètre cube, inférieure à la densité de l'eau, de sorte que le matériau peut flotter à la surface du liquide et ne pas couler.

Les billes en carbure de silicium extrêmement durables peuvent résister à des pressions de plus de 1 757,6 kilogrammes par centimètre carré. De telles sphères peuvent également offrir une résistance aux chocs en agissant comme absorbeurs d’énergie.

La modification du nombre de sphères ajoutées à la matrice permet au composite d'acquérir plusieurs autres propriétés qui peuvent être ajustées en fonction de l'objectif de l'application.

À l’avenir, ces matériaux pourraient être utilisés pour construire des navires qui resteront à flot même après que la coque soit endommagée. De plus, le matériau était suffisamment dense pour qu’un navire fabriqué à partir de celui-ci puisse résister aux conditions maritimes difficiles.

Le matériau présente également une résistance à la chaleur, ce qui en fait une alternative viable aux composites légers à matrice polymère, qui ont fait l'objet de nombreuses recherches ces dernières années et utilisés pour fabriquer des composants marins et automobiles (au lieu de composants métalliques plus lourds).

"Ce nouveau développement dans les matériaux composites est un matériau très léger qui nous permettra de revenir à la fabrication de composants en métal", a déclaré Nikhil Gupta, professeur de génie mécanique et aérospatial, co-auteur de l'étude "La capacité des métaux à résister". des températures plus élevées peuvent devenir un énorme avantage si les composants sont fabriqués pour le moteur ou entrent en contact avec les gaz d'échappement.

Certaines des utilisations potentielles de ce matériau incluent non seulement le revêtement du fond d'un navire, mais également, selon les créateurs, il sera utile pour créer des pièces de voiture, des véhicules flottants et des blindages pour véhicules militaires. Ce dernier exemple explique pourquoi le DST se développe avec le soutien du laboratoire de recherche de l'armée américaine.

Selon les développeurs, des prototypes d'appareils fabriqués à partir du nouveau matériau seront testés au cours des trois prochaines années.

Les détails figurent dans un article scientifique publié dans le Journal of Impact Engineering.