Pression et force pressante | 1ère Bac Pro ERA-MA | Physique-Chimie
Capacités et connaissances du programme :
C1 — Définir la pression \(p = F/S\) et ses unités
C2 — Calculer une pression
C3 — Appliquer la loi hydrostatique \(p = \rho g h\)
C4 — Convertir les unités de pression (bar, Pa, hPa, atm)
C5 — Appliquer dans un contexte de ponçage, presse, visserie
C1 — Définir la pression et ses unités
Rappel de cours
La pression est la force exercée perpendiculairement par unité de surface :
\(p = \dfrac{F}{S}\)
\(p\) : pression en pascals (Pa)
\(F\) : force en newtons (N)
\(S\) : surface en m²
Autres unités : 1 bar = 100 000 Pa ; 1 atm ≈ 101 325 Pa ; 1 hPa = 100 Pa.
Exercice 1
Donner la définition de la pression et son unité légale dans le système international. Pourquoi une force peut-elle avoir des effets très différents selon la surface sur laquelle elle s'exerce ?
La pression est la force exercée perpendiculairement sur une surface, divisée par l'aire de cette surface : \(p = F/S\). Son unité légale est le pascal (Pa).
Une même force appliquée sur une grande surface donne une pression faible (peu d'effet), alors que sur une petite surface, la pression est grande (effet concentré). Ex : un clou s'enfonce facilement car la surface de sa pointe est très petite.
Exercice 2
Associer chaque valeur de pression à son contexte :
A — 101 325 Pa
B — 6 bar
C — 200 Pa
Pression dans un compresseur de chantier
Pression atmosphérique au niveau de la mer
Pression très légère (légèrement supérieure à rien)
A → b (pression atmosphérique) ; B → a (compresseur) ; C → c (pression très faible)
Un vérin hydraulique d'une presse à bois exerce une pression de 50 bar sur un piston de 15 cm de diamètre. Calculer la force exercée sur la pièce de bois.
Un menuisier agenceur appuie avec un outil sur une surface de 4 cm × 2 cm avec une force de 60 N. Calculer la pression exercée.
\(S = 4 \times 10^{-2} \times 2 \times 10^{-2} = 8 \times 10^{-4}\) m²
\(p = \dfrac{60}{8 \times 10^{-4}} = \mathbf{75\,000}\) Pa = 75 kPa = 0,75 bar
Exercice 6
Un serre-joint exerce une pression de 120 000 Pa sur une surface de 6 cm². Calculer la force exercée.
\(S = 6 \times 10^{-4}\) m²
\(F = p \times S = 120\,000 \times 6 \times 10^{-4} = \mathbf{72}\) N
C3 — Appliquer la loi hydrostatique \(p = \rho g h\)
Rappel de cours
Dans un liquide au repos, la pression augmente avec la profondeur :
\(p = \rho \cdot g \cdot h\)
\(p\) : pression en Pa
\(\rho\) : masse volumique du liquide en kg/m³ (\(\rho_{\text{eau}} = 1\,000\) kg/m³)
\(g\) : intensité de pesanteur = 9,81 m/s² (≈ 10 m/s² pour simplifier)
\(h\) : profondeur en m
Pression totale à la profondeur \(h\) : \(p_{tot} = p_{atm} + \rho g h\)
Exercice 7
Un bac de trempage du bois est rempli d'eau sur 1,2 m de hauteur. Calculer la pression exercée par l'eau sur le fond du bac. (\(\rho = 1\,000\) kg/m³, \(g = 9{,}81\) m/s²)
\(p = \rho g h = 1\,000 \times 9{,}81 \times 1{,}2 = \mathbf{11\,772}\) Pa ≈ 11,8 kPa
Pression totale sur le fond = \(101\,325 + 11\,772 = 113\,097\) Pa (pression atmosphérique + pression hydrostatique).
Exercice 8
Une cuve contenant un vernis liquide (\(\rho = 1\,200\) kg/m³) est remplie sur 80 cm. Calculer la pression hydrostatique au fond de la cuve. (\(g = 9{,}81\) m/s²)
\(p = \rho g h = 1\,200 \times 9{,}81 \times 0{,}80 = \mathbf{9\,418}\) Pa ≈ 9,4 kPa
Exercice 9
À quelle profondeur dans un bac d'eau (\(\rho = 1\,000\) kg/m³, \(g = 10\) m/s²) la pression hydrostatique vaut-elle 5 000 Pa ?
\(h = \dfrac{p}{\rho g} = \dfrac{5\,000}{1\,000 \times 10} = \dfrac{5\,000}{10\,000} = \mathbf{0{,}5}\) m = 50 cm
Classer les pressions suivantes de la plus petite à la plus grande :
0,5 MPa ; 80 kPa ; 3 bar ; 750 hPa
Conversion en Pa :
0,5 MPa = 500 000 Pa
80 kPa = 80 000 Pa
3 bar = 300 000 Pa
750 hPa = 75 000 Pa
Ordre croissant : 750 hPa < 80 kPa < 3 bar < 0,5 MPa
C5 — Applications en menuiserie (ponçage, presse, visserie)
Rappel de cours
Les outils pneumatiques (cloueuses, agrafeuses, pistolets à vernis) fonctionnent grâce à de l'air comprimé. La pression de travail typique d'un compresseur d'atelier est entre 4 et 8 bar. La force exercée par un piston dépend de la pression et de la surface du piston.
Exercice 13
Une ponceuse orbitale a une semelle circulaire de diamètre 12 cm. Un menuisier exerce une force de 50 N pour appuyer la machine sur le bois. Calculer la pression exercée par la semelle sur la surface.
Un cloueur pneumatique fonctionne à 6 bar. Le piston a une surface de 5 cm². Calculer la force exercée sur la tête du clou.
\(p = 6 \times 10^5\) Pa ; \(S = 5 \times 10^{-4}\) m²
\(F = p \times S = 6 \times 10^5 \times 5 \times 10^{-4} = \mathbf{300}\) N
Exercice 15
Une presse hydraulique est utilisée pour coller des panneaux stratifiés. Elle exerce une pression de 0,8 MPa sur une surface de 50 cm × 120 cm. Calculer la force totale exercée sur le panneau.
\(p = 0{,}8 \times 10^6\) Pa
\(S = 0{,}50 \times 1{,}20 = 0{,}60\) m²
\(F = p \times S = 0{,}8 \times 10^6 \times 0{,}60 = \mathbf{480\,000}\) N = 480 kN