le bois, ça flotte ou ça coule ?!

Réponse du Département Sciences et Techniques :

Bonjour,

En premier lieu, vous avez évidemment raison lorsque vous dites que le bois flotte. Il est vrai qu’à première vue, la flottabilité d’un objet dépend de son poids. Le bois flotte, tout comme le plastique alors que le métal, le béton et le fer coulent. Quand un bateau jette l’ancre, elle coule, et heureusement ! Mais l’élément déterminant, c’est la masse volumique, appelée également densité volumique de masse. La masse volumique est déterminée par le rapport poids de l’objet divisé par son volume. Site Futura Sciences : masse volumique (consulté le 25/06/2016).

Or, nous savons que la masse volumique de l’eau (à 4°C) est de 1 kg/litre. Par conséquent, si un objet a une masse volumique plus grande que l’eau, il va couler. Mais la plupart des variétés de bois ont une masse volumique relativement faible, le plus souvent inférieure à 1 000kg/m³ (sachant que 1 000kg/m³ = 1kg/litre), ils sont donc amenés la plupart du temps à flotter. En effet, la masse volumique des bois résineux atteint entre 450 et 600kg/m³, celle des bois feuillus européens 700kg/m³. En comparaison, la masse volumique du béton varie entre 2 000 et 2 800kg/m³.
Cependant certaines essences de bois feuillus d’outre-mer peuvent atteindre 1 000kg/m³. A cette densité (identique à celle de l’eau), ce bois resterait tout juste sous la surface de l’eau sans vraiment flotter ni couler !

Enfin, ils existent des essences de bois dont la masse volumique est supérieure à celle de l’eau. C’est le cas notamment de l’ébène (famille des Ebenaceae) que l’on trouve principalement en Afrique et en Asie et dont le poids volumique peut attendre 1,25 fois celui de l’eau. D’autres bois tropicaux comme l’azobé (famille des Ochnaceae, Afrique équatoriale) ou les palissandres (Inde, Brésil, Madagascar) atteignent quant à eux une densité d’1,10 fois celle de l’eau. Le record appartenant au bois de gaïac (famille des Zygophyllacées) qui pousse du Mexique au Brésil, réputé comme le plus dense du monde et dont la masse volumique peut atteindre les 1 300kg/m³. Ces essences de bois ne peuvent donc flotter. Ces particularités posent par ailleurs un problème dans leur exploitation, car les bois sont souvent acheminés de leur zone de coupe à leur zone d'exploitation par voie fluviale. Il faut alors les attacher à des bois beaucoup plus légers comme le balsa (densité 0,14, un record de légèreté) ou à des chambres à air de camion. Sous nos latitudes, de telles densités sont beaucoup plus rares. Néanmoins, le cœur du bois de chêne atteint aussi une densité supérieure à celle de l'eau. Site RTS Découverte questions/réponses (consulté le 25/06/2016).

Dans un second temps, et comme vous le mentionnez dans votre question, « une fois les cales remplies d’eau celui-ci se met à couler… ». En effet, un bateau, même principalement composé de métal, peut flotter. Et pourtant la masse volumique du métal est environ 8 fois supérieure à celle de l’eau. Pourquoi ? Parce que la flottabilité d’une embarcation dépend aussi de plusieurs principes :
La pesanteur : le poids du bateau tend à le faire couler, car la force est dirigée vers le bas.
Le principe de la poussée d’Archimède : « Tout corps plongé dans un fluide au repos, entièrement mouillé par celui-ci ou traversant sa surface libre, subit une force verticale, dirigée de bas en haut et opposée au poids du volume de fluide déplacé… » Site Futura Sciences : poussée d'Archimède (consulté le 25/06/2016).

C’est grâce à sa masse volumique et au volume d’eau qu’il déplace que le bateau peut flotter. Ce qui est également primordial, c’est l’air que contient le bateau. L’air, qui est extrêmement léger, occupe facilement un très gros volume et permet aussi la flottabilité. Site buzzons, particules de savoir, Québec Science (consulté le 25/06/2016).

Illustrons cela avec l’exemple du plus célèbre naufrage : le Titanic pesait 46 000 tonnes ce qui fait 46 000 000 de kilogrammes (ou 920 000 000 kiwis) et pourtant, il flottait. Le volume d'eau qu'il déplaçait (c'est-à-dire le volume de la portion submergée du paquebot), était de 44 660 m3. Ce volume d'eau de mer (dont la masse volumique est d'environ 1030 kg/m3) pèse 46 000 tonnes. Le volume d'eau déplacé et le Titanic auraient le même poids et donc, le Titanic flotte. Lorsqu'il a frappé un iceberg et que de l'eau s'est infiltrée dans le paquebot, de l'air a été remplacée par de l'eau dans la coque du bateau ce qui a augmenté la masse volumique du bateau et l'a fait couler. Site éducatif québécois PISTES (consulté le 25/06/2016).

Le bois flotte dans la plupart des cas, à l’exception des variétés dont la masse volumique est supérieure à celle de l’eau mais, comme nous l’avons vu, ils sont relativement rares et ne sont pas utilisés en construction navale. La flottabilité est également soumise à plusieurs principes physiques, notamment la poussée d’Archimède et à l’importance de l’air que contient l’embarcation.

Autres sources consultées :

HAZARD, Claude. Bois et matériaux associés. Paris : Casteilla, 2013
STEIGER, Ludwig. Construire en bois. Bâle (Suisse) : Birkhäuser, 2007
RIGAMONTI, Attilio. Le kaléidoscope de la physique. Paris : Belin, 2014
Les essences de bois pour la construction navale, en PDF.

Et un bateau dans la baie de Sydney ? Non, une forêt flottante !

Cordialement.

Nous vous remercions pour ces précisions, que nous avons ajoutées à la suite de notre réponse.

Bonne journée.