Sciences · Physique
La pression
La pression est le quotient d’une force par la surface sur laquelle elle s’exerce : P = F / S. Elle se mesure en pascals (Pa) ; la pression atmosphérique au niveau de la mer vaut environ 1 013 hPa.
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Pourquoi un couteau aiguisé coupe-t-il mieux qu’un couteau émoussé, et pourquoi s’enfonce-t-on dans la neige à pied mais pas en raquettes ? Parce que l’effet d’une force dépend de la surface sur laquelle elle s’applique. C’est ce que mesure la pression, grandeur centrale en mécanique, en météorologie, en plongée comme en médecine.
La formule P = F / S
À force égale, la pression est d’autant plus forte que la surface est petite.
D’où le principe des raquettes, des chenilles de char ou des fondations larges (augmenter S pour réduire P) et celui des lames, des aiguilles et des punaises (réduire S pour augmenter P).
Les unités de pression
| Unité | Symbole | Valeur en pascals | Usage |
|---|---|---|---|
| Pascal | Pa | 1 | unité SI (1 N/m²) |
| Hectopascal | hPa | 100 | météorologie |
| Bar | bar | 100 000 | pneus, plongée, industrie |
| Atmosphère | atm | 101 325 | chimie, référence |
| Millimètre de mercure | mmHg | ≈ 133,3 | tension artérielle |
| Livre par pouce carré | psi | ≈ 6 895 | pays anglo-saxons |
Repères : 1 bar ≈ 1 atm ≈ 1 000 hPa ; 1 atm = 760 mmHg. Le pascal honore Blaise Pascal, qui a étudié l’équilibre des liquides et le poids de l’air.
La pression atmosphérique
L’air a une masse : la colonne d’atmosphère au-dessus de nous exerce en moyenne, au niveau de la mer, une pression de 101 325 Pa, soit environ 10 tonnes-force par mètre carré. Nous ne l’écrasons pas car la pression à l’intérieur de notre corps l’équilibre.
Une découverte du XVIIe siècle
- 1643 : Evangelista Torricelli retourne un tube rempli de mercure dans une cuve ; le mercure redescend jusqu’à une hauteur d’environ 76 cm. Il en déduit que c’est le poids de l’air qui soutient la colonne : c’est le premier baromètre.
- 1648 : à la demande de Pascal, son beau-frère Florin Périer mesure la hauteur du mercure au pied et au sommet du puy de Dôme ; elle est plus faible en altitude. La preuve est faite que la pression diminue quand on monte.
Pression et altitude
| Altitude | Pression approximative |
|---|---|
| Niveau de la mer | 1 013 hPa |
| 1 500 m | 850 hPa |
| 3 000 m | 700 hPa |
| 5 500 m | 500 hPa (moitié) |
| 8 849 m (Everest) | environ 330 hPa |
| 10 000 m (avion de ligne) | environ 265 hPa |
Conséquences : l’eau bout à plus basse température en montagne (environ 90 °C vers 3 000 m), on respire moins d’oxygène à chaque inspiration et les cabines d’avion doivent être pressurisées. En météorologie, les anticyclones (hautes pressions) apportent généralement un temps stable, les dépressions du mauvais temps (voir atmosphère).
La pression dans les liquides
Dans un liquide au repos, la pression augmente avec la profondeur selon la loi fondamentale de l’hydrostatique :
ΔP = ρ × g × h
ρ est la masse volumique du liquide (1 000 kg/m³ pour l’eau douce), g ≈ 9,81 N/kg et h la profondeur en mètres. Dans l’eau, la pression augmente donc d’environ 1 bar tous les 10 mètres.
| Profondeur | Pression totale (air + eau) |
|---|---|
| Surface | 1 bar |
| 10 m | 2 bar |
| 40 m (limite plongée loisir) | 5 bar |
| 3 800 m (épave du Titanic) | environ 380 bar |
| 10 935 m (fosse des Mariannes) | environ 1 100 bar |
La pression ne dépend que de la profondeur, pas de la forme du récipient ni de la quantité d’eau : c’est le paradoxe hydrostatique. Elle s’exerce dans toutes les directions et explique, entre autres, la poussée d’Archimède.
Le principe de Pascal
Une variation de pression appliquée en un point d’un liquide enfermé se transmet intégralement à tout le liquide. C’est le principe des presses et vérins hydrauliques, des freins de voiture et des crics : une petite force sur un petit piston produit une grande force sur un grand piston, car la pression est la même des deux côtés. Si la surface est 100 fois plus grande, la force est 100 fois plus grande.
Pression des gaz
Dans un gaz, la pression résulte des chocs incessants des molécules sur les parois. Elle augmente si on chauffe le gaz ou si on réduit son volume. Pour un gaz parfait :
P × V = n × R × T
n est la quantité de matière en moles (voir la mole), R ≈ 8,314 J/(mol·K) et T la température en kelvins. C’est pourquoi la pression des pneus se contrôle à froid et qu’un aérosol ne doit pas être chauffé.
Pression absolue et pression relative
Un manomètre de pneu indique la pression relative (au-dessus de la pression atmosphérique) : « 2,2 bar » signifie environ 3,2 bar en pression absolue. Le vide parfait correspond à une pression absolue nulle.
Questions fréquentes
Quelle est la pression atmosphérique normale ?
1 013,25 hPa au niveau de la mer, soit 1 atm, 760 mmHg ou 101 325 Pa. Elle varie au quotidien d’environ 950 à 1 050 hPa selon la météo.
Quelle est la différence entre force et pression ?
La force est une action mécanique en newtons ; la pression est cette force divisée par la surface sur laquelle elle s’exerce, en pascals. Une même force produit une pression d’autant plus grande que la surface est petite.
Pourquoi les oreilles se bouchent-elles en avion ou en plongée ?
La pression extérieure change plus vite que celle de l’oreille moyenne, ce qui déforme le tympan. Déglutir ou bâiller ouvre la trompe d’Eustache et rééquilibre les pressions.
Combien vaut 1 bar ?
1 bar vaut 100 000 Pa, soit 1 000 hPa, très proche de la pression atmosphérique moyenne au niveau de la mer.