Un objet flotte plus en eau salée qu'en eau douce, mais pourquoi ? La flottabilité d'un objet est déterminée par deux forces :
- La force descendante : égale au poids de l'objet
- La force ascendante : égale au poids de l'eau que l'objet déplace (c'est ce qu'on appelle le principe d'Archimède)
Les forces ascendantes et descendantes travaillent en opposition l'une avec l'autre. En raison de ces forces, l'objet flottera, coulera ou restera suspendu dans l'eau. La flottabilité de l'objet peut être décrite de l'une des trois manières suivantes :
- Flottabilité négative : Le poids de l'objet est supérieur au poids de l'eau qu'il déplace. L'objet va couler.
- Flottabilité positive : Le poids de l'objet est inférieur au poids de l'eau qu'il déplace. L'objet flottera.
- Flottabilité neutre : Le poids de l'objet est exactement égal au poids de l'eau qu'il déplace. L'objet restera suspendu au milieu de l'eau et ne flottera ni ne coulera.
L'eau salée pèse plus que l'eau douce
Un pied cube d'eau salée pèse (en moyenne) 64,1 livres, tandis qu'un pied cube d'eau douce ne pèse que 62,4 livres. La raison de la différence de poids est que l'eau salée contient du sel dissous.
La dissolution du sel dans l'eau augmente la densité de l'eau, ou masse par unité de volume. Lorsque du sel est ajouté à l'eau, il réagit avec les molécules d'eau, formant une liaison polaire avec l'eau qui réarrange les molécules de sel et d'eau avec un effet inhabituel :
Un pouce cube de sel ajouté à un volume d'eau n'augmentera pas le volume d'eau d'un pouce cube. Une explication simpliste est que les molécules d'eau s'emballent étroitement autour des molécules de sel en se serrant plus étroitement qu'elles ne le font lorsque le sel n'est pas présent. Lorsqu'un pouce cube de sel est ajouté à un volume d'eau, le volume d'eau augmente de moins d'un pouce cube.
Un pied cube d'eau salée contient plus de molécules qu'un pied cube d'eau douce et pèse donc plus.
Rappelons que le principe d'Archimède stipule que la force ascendante sur un objet immergé est égale au poids de l'eau qu'il déplace. L'eau salée pèse plus que l'eau douce, elle exerce donc une force ascendante plus importante sur un objet immergé. Un objet qui déplace un pied cube d'eau douce subira une force ascendante de 62,4 lb, tandis que le même objet dans l'eau salée subira une force ascendante de 64,1 lb.
Passer de l'eau douce à l'eau salée
À ce stade, il est possible de faire des prédictions générales sur la flottabilité d'un objet (ou d'un plongeur) lorsqu'il passe de l'eau douce à l'eau salée et vice-versa. Considérez les cas suivants :
- Un objet qui flotte de manière neutre dans l'eau douce flottera lorsqu'il sera placé dans l'eau salée. En eau douce, le poids de l'objet est exactement égal au poids de l'eau qu'il déplace, et les forces descendantes et ascendantes sur l'objet sont égales. Lorsque l'objet est déplacé vers l'eau salée, le poids de l'eau qu'il déplace augmentera et la force ascendante sera supérieure à la force descendante. L'objet flottera positivement dans l'eau salée.
- Un objet qui flotte de manière neutre dans l'eau salée coulera lorsqu'il sera placé dans de l'eau douce. Dans l'eau salée, le poids de l'objet est exactement égal au poids de l'eau qu'il déplace, et les forces ascendantes et descendantes sur l'objet sont égales. Lorsque l'objet est déplacé vers de l'eau douce, le poids de l'eau qu'il déplace diminuera et la force descendante sur l'objet sera supérieure à la force ascendante. L'objet aura une flottabilité négative en eau douce.
- Un objet qui flotte négativement ou positivement dans l'eau salée deviendra plus négativement flottant lorsqu'il est placé dans de l'eau douce, mais nous ne pouvons pas prédire s'il coulera ou flottera sans plus d'informations. Un objet subira une force ascendante plus faible en eau douce qu'en eau salée et flottera moins en eau douce. Cependant, pour déterminer si l'objet va couler ou flotter, il est nécessaire de connaître le poids exact de l'objet et le poids exact de l'eau qu'il déplace.
- Un objet qui flotte négativement ou positivement en eau douce deviendra plus flottant lorsqu'il est placé dans de l'eau salée, mais nous ne pouvons pas prédire s'il coulera ou flottera sans plus d'informations. Un objet subira une force ascendante plus forte dans l'eau salée que dans l'eau douce, et sera plus flottant dans l'eau salée. Cependant, pour déterminer si l'objet va couler ou flotter, il est nécessaire de connaître le poids exact de l'objet et le poids exact de l'eau qu'il déplace.
Peser un plongeur
Il est clair qu'un plongeur flottera plus positivement en eau salée qu'en eau douce et devra ajuster ses poids en conséquence. Le plongeur devra transporter plus de poids en eau salée qu'il n'en aura besoin en eau douce. La quantité de poids que le plongeur doit transporter dépendra de divers facteurs, notamment sa masse corporelle, sa protection contre l'exposition, le type de bouteille qu'il transporte et son équipement de plongée.
La ceinture de plomb d'un plongeur ne représente qu'un petit pourcentage de son poids total ; son poids corporel, sa bouteille et son équipement de plongée contribuent également à son poids et à la force descendante sur son corps. Les plongeurs changent souvent de combinaisons de plongée (ou de combinaisons étanches) et d'autres équipements lorsqu'ils changent de lieu de plongée, et la force ascendante sur le plongeur peut varier en fonction de ces facteurs, ainsi que selon le type d'eau.
Il est impossible de prédire le changement de poids nécessaire pour un plongeur individuel sans connaître son déplacement d'eau, son poids total et la salinité de l'eau dans laquelle il plongera. Le moyen le plus simple pour un plongeur de déterminer le poids approprié est d'effectuer un test de flottabilité chaque fois que basculer entre l'eau douce et l'eau salée, et chaque fois qu'il change une pièce de son équipement de plongée. Cependant, étant donné que tous les facteurs restent les mêmes à l'exception du type d'eau, un plongeur peut devoir presque doubler son poids lorsqu'il passe de l'eau douce à l'eau salée ou le réduire de moitié lorsqu'il passe de l'eau salée à l'eau douce.
Considérations supplémentaires
Pour compliquer les choses, la salinité de l'eau salée varie à travers le monde. Certains plans d'eau peuvent être plus salés que d'autres. Bien sûr, un plongeur aura une flottabilité plus positive dans des eaux plus salées. Le poids moyen d'un pied cube d'eau salée est de 64,1 livres, mais dans la mer Morte, un pied cube d'eau pèse environ 77,3 livres ! Un plongeur serait beaucoup plus flottant dans la mer Morte.
La température affecte également la densité de l'eau. L'eau froide est plus dense que l'eau chaude. L'eau atteint sa densité maximale à environ 39,2 F, et un plongeur qui s'aventure dans des eaux très froides peut remarquer qu'il flotte un peu plus négativement que dans des eaux plus chaudes.
De nombreux sites de plongée nécessitent qu'un plongeur se déplace à travers des couches de températures d'eau différentes (thermoclines) ou des couches de salinités différentes (haloclines). Un plongeur se déplaçant entre ces couches remarquera des changements dans sa flottabilité.
Les objets (comme les plongeurs) flotteront plus en eau salée qu'en eau douce. Prédire la flottabilité d'un plongeur nécessite de connaître son poids total, équipement compris, ainsi que le poids de l'eau qu'il déplace. Il est beaucoup plus facile d'effectuer un contrôle de flottabilité avant une plongée que d'essayer de déterminer mathématiquement la quantité de poids qu'un plongeur doit porter. De plus, les plongeurs qui utilisent des bouteilles en aluminium devront se lester pour compenser le changement de flottabilité de la bouteille pendant une plongée ; un réservoir en aluminium deviendra plus flottant au fur et à mesure qu'il se vide.