La densité mesure la quantité de masse contenue dans un volume. C'est comme comparer des plumes à du plomb : même taille, poids différent. C'est une propriété clé pour identifier les matériaux.

• Densité = masse ÷ volume (ρ = m/V)
• Une densité plus élevée = plus lourd pour la même taille
• Eau : 1000 kg/m³ = 1 g/cm³
• Détermine si un objet flotte ou coule

Gravité spécifique = densité par rapport à l'eau. Rapport sans dimension. SG = 1 signifie identique à l'eau. SG < 1 flotte, SG > 1 coule.

• SG = ρ_matériau / ρ_eau
• SG = 1 : identique à l'eau
• SG < 1 : flotte (huile, bois)
• SG > 1 : coule (métaux)

La densité change avec la température ! Gaz : très sensibles. Liquides : légers changements. L'eau a sa densité maximale à 4°C. Spécifiez toujours les conditions.

• Température ↑ → densité ↓
• Eau : maximum à 4°C (997 kg/m³)
• Les gaz sont sensibles à la pression/température
• Standard : 20°C, 1 atm

Le kg/m³ est la norme SI. Le g/cm³ est très courant (= SG pour l'eau). Le g/L pour les solutions. Tous sont liés par des puissances de 10.

• 1 g/cm³ = 1000 kg/m³
• 1 g/mL = 1 g/cm³ = 1 kg/L
• 1 t/m³ = 1000 kg/m³
• g/L = kg/m³ (numériquement)

Le lb/ft³ est le plus courant. Le lb/in³ pour les matériaux denses. Le lb/gal pour les liquides (gallons US ≠ gallons UK !). pcf = lb/ft³ dans la construction.

• 1 lb/ft³ ≈ 16 kg/m³
• Gallon US ≠ Gallon UK (différence de 20%)
• lb/in³ pour les métaux
• Eau : 62.4 lb/ft³

API pour le pétrole. Brix pour le sucre. Plato pour le brassage. Baumé pour les produits chimiques. Conversions non linéaires !

• API : pétrole (10-50°)
• Brix : sucre/vin (0-30°)
• Plato : bière (10-20°)
• Baumé : produits chimiques

ρ = m/V. Connaissez-en deux, trouvez le troisième. m = ρV, V = m/ρ. Relation linéaire.

• ρ = m / V
• m = ρ × V
• V = m / ρ
• Les unités doivent correspondre

Archimède : la poussée d'Archimède = le poids du fluide déplacé. Flotte si ρ_objet < ρ_fluide. Explique les icebergs, les navires.

• Flotte si ρ_objet < ρ_fluide
• Poussée d'Archimède = ρ_fluide × V × g
• % immergé = ρ_objet/ρ_fluide
• La glace flotte : 917 < 1000 kg/m³

La densité provient de la masse atomique + de l'empilement. Osmium : le plus dense (22 590 kg/m³). Hydrogène : le gaz le plus léger (0.09 kg/m³).

• La masse atomique compte
• Empilement cristallin
• Métaux : haute densité
• Gaz : faible densité

• L'eau, c'est 1 : g/cm³ = g/mL = kg/L = SG (tous égaux à 1 pour l'eau)
• Multiplier par 1000 : g/cm³ × 1000 = kg/m³ (1 g/cm³ = 1000 kg/m³)
• Règle de 16 : lb/ft³ × 16 ≈ kg/m³ (1 lb/ft³ ≈ 16.018 kg/m³)
• De SG à kg/m³ : il suffit de multiplier par 1000 (SG 0.8 = 800 kg/m³)
• Test de flottaison : SG < 1 flotte, SG > 1 coule, SG = 1 flottabilité neutre
• Règle de la glace : 917 kg/m³ = 0.917 SG → 91.7% immergé en flottant

• g/cm³ ≠ g/m³ ! Une différence d'un facteur 1 000 000. Vérifiez toujours vos unités !
• La température compte : L'eau est à 1000 à 4°C, 997 à 20°C, 958 à 100°C
• Gallons US vs UK : une différence de 20 % affecte les conversions en lb/gal (119.8 vs 99.8 kg/m³)
• Le SG est sans dimension : N'ajoutez pas d'unités. SG × 1000 = kg/m³ (ajoutez ensuite les unités)
• La gravité API est inversée : Un API plus élevé = une huile plus légère (contraire de la densité)
• La densité des gaz change avec P&T : Il faut spécifier les conditions ou utiliser la loi des gaz parfaits

Sélection des matériaux par densité. Acier (7850) solide/lourd. Aluminium (2700) léger. Béton (2400) pour les structures.

• Acier : 7850 kg/m³
• Aluminium : 2700 kg/m³
• Béton : 2400 kg/m³
• Mousse : 30-100 kg/m³

La gravité API classe le pétrole. Gravité spécifique pour la qualité. La densité affecte le mélange, la séparation, la tarification.

• API > 31.1 : pétrole brut léger
• API < 22.3 : pétrole brut lourd
• Essence : ~720 kg/m³
• Diesel : ~832 kg/m³

Brix pour la teneur en sucre. Plato pour le malt. SG pour le miel, les sirops. Contrôle de qualité, suivi de la fermentation.

• Brix : jus, vin
• Plato : force de la bière
• Miel : ~1400 kg/m³
• Lait : ~1030 kg/m³

g/cm³ × 1000 = kg/m³. lb/ft³ × 16 = kg/m³. SG × 1000 = kg/m³.

• 1 g/cm³ = 1000 kg/m³
• 1 lb/ft³ ≈ 16 kg/m³
• SG × 1000 = kg/m³
• 1 g/mL = 1 kg/L

m = ρ × V. Eau : 2 m³ × 1000 = 2000 kg.

• m = ρ × V
• Eau : 1 L = 1 kg
• Acier : 1 m³ = 7850 kg
• Vérifiez les unités

V = m / ρ. Or 1 kg : V = 1/19320 = 51.8 cm³.

• V = m / ρ
• 1 kg d'or = 51.8 cm³
• 1 kg d'Al = 370 cm³
• Dense = petit

Poutre en acier de 2m × 0.3m × 0.3m, ρ=7850. Poids ?

V = 0.18 m³. m = 7850 × 0.18 = 1413 kg ≈ 1.4 tonnes.

Bois (600 kg/m³) dans l'eau. Flotte-t-il ?

600 < 1000, il flotte ! Immergé : 600/1000 = 60%.

1 kg d'or. ρ=19320. Volume ?

V = 1/19320 = 51.8 cm³. La taille d'une boîte d'allumettes !

22 590 kg/m³. Un pied cube = 1 410 lb ! Il bat légèrement l'iridium. Rare, utilisé dans les pointes de stylo.

Glace 917 < eau 1000. Presque unique ! Les lacs gèlent par le haut, sauvant la vie aquatique.

La plus dense à 4°C, pas à 0°C ! Empêche les lacs de geler entièrement : l'eau à 4°C coule au fond.

1-2 kg/m³. 'Fumée gelée'. Supporte 2000 fois son poids. Les rovers de Mars l'utilisent !

~4×10¹⁷ kg/m³. Une cuillère à café = 1 milliard de tonnes ! Les atomes s'effondrent. La matière la plus dense.

0.09 kg/m³. 14 fois plus léger que l'air. Le plus abondant dans l'univers malgré sa faible densité.

Le moment 'Eurêka !' le plus célèbre de la science s'est produit lorsque Archimède a découvert le principe de flottabilité et de déplacement de densité en prenant un bain à Syracuse, en Sicile.

• Le roi Hiéron II soupçonnait son orfèvre de le tromper en mélangeant de l'argent dans une couronne en or
• Archimède devait prouver la fraude sans détruire la couronne
• En remarquant le déplacement de l'eau dans son bain, il a réalisé qu'il pouvait mesurer le volume de manière non destructive
• Méthode : Mesurer le poids de la couronne dans l'air et dans l'eau ; comparer à un échantillon d'or pur
• Résultat : La couronne avait une densité inférieure à celle de l'or pur — la fraude était prouvée !
• Héritage : Le Principe d'Archimède est devenu la base de l'hydrostatique et de la science de la densité

Cette découverte vieille de 2 300 ans reste la base des mesures de densité modernes via les méthodes de déplacement de l'eau et de flottabilité.

La révolution scientifique a apporté des instruments de précision et des études systématiques de la densité des matériaux, des gaz et des solutions.

• 1586 : Galileo Galilei invente la balance hydrostatique — le premier instrument de précision pour la densité
• Années 1660 : Robert Boyle étudie les relations entre la densité et la pression des gaz (Loi de Boyle)
• 1768 : Antoine Baumé développe des échelles d'hydromètre pour les solutions chimiques — encore utilisées aujourd'hui
• 1787 : Jacques Charles mesure la densité des gaz en fonction de la température (Loi de Charles)
• Années 1790 : Lavoisier établit la densité comme une propriété fondamentale en chimie

Ces avancées ont transformé la densité d'une curiosité en une science quantitative, permettant la chimie, la science des matériaux et le contrôle de qualité.

Les industries ont développé des échelles de densité personnalisées pour le pétrole, les aliments, les boissons et les produits chimiques, chacune optimisée pour leurs besoins spécifiques.

• 1921 : L'American Petroleum Institute crée l'échelle de gravité API — des degrés plus élevés = un pétrole brut plus léger et plus précieux
• 1843 : Adolf Brix perfectionne le saccharimètre pour les solutions de sucre — les °Brix sont toujours la norme dans l'industrie alimentaire/des boissons
• Années 1900 : L'échelle Plato est normalisée pour le brassage — mesure la teneur en extrait du moût et de la bière
• 1768-présent : Les échelles de Baumé (lourde et légère) pour les acides, les sirops et les produits chimiques industriels
• L'échelle de Twaddell pour les liquides industriels lourds — encore utilisée en galvanoplastie

Ces échelles non linéaires persistent car elles sont optimisées pour des plages étroites où la précision est primordiale (par ex., API 10-50° couvre la plupart des pétroles bruts).

La compréhension à l'échelle atomique, les nouveaux matériaux et les instruments de précision ont révolutionné la mesure de la densité et l'ingénierie des matériaux.

• 1967 : La cristallographie aux rayons X confirme que l'osmium est l'élément le plus dense avec 22 590 kg/m³ (dépassant l'iridium de 0,12 %)
• Années 1980-90 : Les densimètres numériques atteignent une précision de ±0.0001 g/cm³ pour les liquides
• Années 1990 : Développement de l'aérogel — le solide le plus léger du monde avec 1-2 kg/m³ (99,8 % d'air)
• Années 2000 : Alliages de verre métallique avec des rapports densité-résistance inhabituels
• 2019 : La redéfinition du SI lie le kilogramme à la constante de Planck — la densité est maintenant traçable à la physique fondamentale

L'astrophysique du 20ème siècle a révélé des densités extrêmes dépassant l'imagination terrestre.

• Espace interstellaire : ~10⁻²¹ kg/m³ — vide quasi parfait avec des atomes d'hydrogène
• Atmosphère terrestre au niveau de la mer : 1.225 kg/m³
• Étoiles naines blanches : ~10⁹ kg/m³ — une cuillère à café pèse plusieurs tonnes
• Étoiles à neutrons : ~4×10¹⁷ kg/m³ — une cuillère à café équivaut à ~1 milliard de tonnes
• Singularité d'un trou noir : Densité théoriquement infinie (la physique s'effondre)

Les densités connues s'étendent sur ~40 ordres de grandeur — des vides de l'univers aux noyaux stellaires effondrés.

Aujourd'hui, la mesure de la densité est indispensable dans la science, l'industrie et le commerce.

• Pétrole : La gravité API détermine le prix du pétrole brut (±1° API = des millions de valeur)
• Sécurité alimentaire : Les contrôles de densité détectent l'adultération du miel, de l'huile d'olive, du lait, du jus
• Pharmaceutique : Précision inférieure au milligramme pour la formulation de médicaments et le contrôle de qualité
• Ingénierie des matériaux : Optimisation de la densité pour l'aérospatiale (résistant + léger)
• Environnement : Mesure de la densité de l'océan/de l'atmosphère pour les modèles climatiques
• Exploration spatiale : Caractérisation des astéroïdes, des planètes, des atmosphères d'exoplanètes

La densité a des unités (kg/m³, g/cm³). Le SG est un rapport sans dimension par rapport à l'eau. SG=ρ/ρ_eau. SG=1 signifie identique à l'eau. Multipliez le SG par 1000 pour obtenir des kg/m³. Le SG est utile pour des comparaisons rapides.

L'eau se dilate en gelant. Glace=917, eau=1000 kg/m³. La glace est 9 % moins dense. Les lacs gèlent par le haut, laissant de l'eau en dessous pour la vie. Si la glace coulait, les lacs gèleraient entièrement. Liaison hydrogène unique.

Température plus élevée → densité plus faible (dilatation). Les gaz sont très sensibles. Les liquides ~0,02 %/°C. Les solides minimalement. Exception : l'eau est la plus dense à 4°C. Spécifiez toujours la température pour la précision.

US=3.785L, UK=4.546L (20 % plus grand). Affecte le lb/gal ! 1 lb/US gal=119.8 kg/m³. 1 lb/UK gal=99.8 kg/m³. Spécifiez toujours.

Très précis si la température est contrôlée. ±0.001 est typique pour les liquides à température constante. Solides ±0.01. Les gaz nécessitent un contrôle de la pression. Standard : 20°C ou 4°C pour la référence de l'eau.

Liquides : hydromètre, pycnomètre, densimètre numérique. Solides : principe d'Archimède (déplacement d'eau), pycnomètre à gaz. Précision : 0.0001 g/cm³ est possible. Le contrôle de la température est crucial.