Pourquoi un énorme navire en acier flotte-t-il alors qu’un petit clou coule ? Pourquoi l’huile reste-t-elle au-dessus de l’eau dans une vinaigrette ? La réponse tient en une notion clé de la physique : la masse volumique. Elle permet de comparer des matériaux, d’identifier une substance et de prévoir si un objet va flotter. Dans cet article, vous verrez sa définition, sa formule, ses unités, la différence avec la densité et plusieurs exemples concrets.
Définition de la masse volumique
La masse volumique d’une substance est la masse contenue dans une unité de volume de cette substance. Autrement dit, elle indique si la matière est plus ou moins “serrée”. Un kilogramme de plumes et un kilogramme de plomb ont la même masse, mais le plomb occupe un volume bien plus petit : sa masse volumique est beaucoup plus élevée.
La formule
On note généralement la masse volumique avec la lettre grecque ρ (rhô) :
ρ = m / V
- ρ : masse volumique
- m : masse de l’échantillon
- V : volume de l’échantillon
À partir de cette formule, on peut aussi retrouver la masse (m = ρ × V) ou le volume (V = m / ρ) si l’on connaît les deux autres grandeurs.
Les unités et les conversions
Dans le Système international, la masse volumique s’exprime en kilogrammes par mètre cube (kg/m³). Dans la pratique, surtout en chimie et au collège, on utilise aussi souvent les grammes par centimètre cube (g/cm³), qui sont équivalents aux grammes par millilitre (g/mL), ainsi que les kilogrammes par litre (kg/L).
Les conversions à retenir :
- 1 g/cm³ = 1 g/mL = 1 kg/L
- 1 g/cm³ = 1 000 kg/m³
Par exemple, l’eau liquide a une masse volumique d’environ 1 g/cm³, soit environ 1 000 kg/m³. C’est d’ailleurs pour cela qu’un litre d’eau pèse à peu près un kilogramme.
Quelques valeurs de référence
Les valeurs suivantes sont approximatives, données à température ambiante et à pression atmosphérique normale :
| Substance | Masse volumique approximative (g/cm³) |
|---|---|
| Air | 0,0012 |
| Huile de cuisine | environ 0,92 |
| Glace | environ 0,92 |
| Eau liquide | 1,00 |
| Aluminium | 2,70 |
| Fer | 7,87 |
| Mercure | 13,6 |
| Or | 19,3 |
On remarque que la glace est moins dense que l’eau liquide : c’est une particularité de l’eau. Voilà pourquoi les glaçons flottent et pourquoi les lacs gèlent d’abord en surface.
Exemple de calcul
On dispose d’un petit cube métallique de 2 cm de côté, dont la masse est de 21,6 g. De quel métal peut-il s’agir ?
- Calcul du volume : V = 2 × 2 × 2 = 8 cm³.
- Calcul de la masse volumique : ρ = 21,6 / 8 = 2,7 g/cm³.
- Comparaison avec le tableau : la valeur correspond à celle de l’aluminium.
La masse volumique est donc un excellent moyen d’identifier une substance, car elle dépend de la matière et non de la taille de l’échantillon : un petit et un grand morceau d’aluminium ont la même masse volumique.
Comment la mesurer en pratique
- Pour un liquide : on pèse une éprouvette graduée vide, on y verse un volume connu de liquide, puis on pèse à nouveau. La différence de masse divisée par le volume donne ρ.
- Pour un solide de forme simple : on mesure ses dimensions pour calculer son volume, puis on le pèse.
- Pour un solide de forme irrégulière : on utilise la méthode du déplacement d’eau. On plonge l’objet dans une éprouvette contenant de l’eau ; l’augmentation du niveau correspond au volume de l’objet.
Selon la tradition, c’est une idée de ce type qui aurait permis à Archimède de vérifier si une couronne était en or pur, sans l’abîmer.
Masse volumique et densité : quelle différence ?
Les deux mots sont souvent confondus dans le langage courant, mais en physique ils ne désignent pas exactement la même chose. La densité (notée d) est un rapport sans unité : c’est la masse volumique d’une substance divisée par celle d’une substance de référence, l’eau pour les solides et les liquides.
Comme l’eau vaut environ 1 g/cm³, la densité a la même valeur numérique que la masse volumique exprimée en g/cm³. Le fer a ainsi une masse volumique d’environ 7,87 g/cm³ et une densité d’environ 7,87, sans unité.
Pourquoi certains objets flottent
Un objet plongé dans un liquide subit une force verticale vers le haut, la poussée d’Archimède. En simplifiant, on retient la règle suivante :
- si la masse volumique moyenne de l’objet est inférieure à celle du liquide, il flotte ;
- si elle est supérieure, il coule.
Le mot “moyenne” est essentiel. Un navire est en acier, mais sa coque contient un grand volume d’air. Sa masse totale, répartie sur ce grand volume, donne une masse volumique moyenne inférieure à celle de l’eau. Un clou, lui, est plein d’acier : il coule. C’est aussi pour cela que l’huile, moins dense que l’eau, remonte à la surface.
Ce qui peut faire varier la masse volumique
La masse volumique dépend de la température et, surtout pour les gaz, de la pression. En général, quand on chauffe une substance, elle se dilate : son volume augmente et sa masse volumique diminue. C’est ce qui explique qu’un air chaud, moins dense, s’élève, comme dans une montgolfière.
Conclusion
La masse volumique, ρ = m / V, mesure la quantité de matière contenue dans un volume donné. Elle permet d’identifier des matériaux, de convertir masses et volumes et d’expliquer pourquoi un objet flotte ou coule. Bien maîtriser cette notion et ses unités est une base précieuse pour toute la suite en physique et en chimie. Pour approfondir ces notions et bien d’autres, découvrez les cours gratuits de physique proposés sur Cursa.
