Le sous-marin a une masse conséquente dans l'eau mais il n'utilise pas de moteur quelconque pour rester à la même profondeur. Heureusement d'ailleurs !! C'est le principe d'Archimède qui intervient alors :
tout corps plongé dans un liquide reçoit de la part de ce liquide une poussée verticale dirigée de bas en haut, égale au poids du volume de liquide déplacé.
Le sous-marin est donc, dans l'eau, soumis à deux forces :
-son poids, appliqué au centre de gravité, force verticale dirigée de haut en bas. Elle tend à faire descendre le sous-marin.
-la poussée d'Archimède, appliquée au centre du volume immergé, force verticale dirigée vers le haut. Elle tend à faire remonter le sous-marin. L'équilibre est obtenu quand le poids de l'eau déplacé, c'est à dire la poussée, correspond au poids du sous-marin.
Pour illustrer ce principe, nous avons réalisé l'expérience dite du « ludion ». Elle consiste à mettre en pratique le principe d'Archimède en prenant un bouchon de stylo fermé en haut, une masse faible que l'on greffe au bouchon du stylo, et finalement une bouteille remplie d'eau, fermé avec un bouchon.
On plonge le bouchon dans la bouteille remplie d'eau et on ajuste la masse de telle façon que le bouchon flotte à la surface. On referme la bouteille. A ce moment-là, le poids du bouchon s'annule avec la poussée d'Archimède.
On appuie ensuite sur les bords de la bouteille et on observe:
Expérience dite du ludion
On remarque que lorsque l'on exerce une pression sur la bouteille, le bouchon coule. La poussée d'Archimède est trop faible par rapport au poids du bouchon et par conséquent, il coule.
Que ce passe-t-il réellement ?
Lorsque le bouchon flotte, une certaine quantité d'air est contenue dans la partie haute du capuchon. L'eau est un liquide non compressible, à l'opposé de l'air.
Lorsque l'on appuie sur les bords de la bouteille, l'eau ne peut pas se compresser, à l'inverse de l'air contenu dans le bouchon qui se comprime. Le ludion s'alourdit puisqu'il y a moins d'air et la poussée d'Archimède est plus faible que le poids du ludion donc il coule. D'ailleurs, si le bouchon était transparent, on verrait le niveau de l'eau augmenté.
C'est le même principe qui prévaut dans un sous-marin. On le conçoit de telle sorte qu'on puisse diminuer les quantités d'air à l'intérieur pour le « couler ». Sa flottabilité est alors nulle et le sous-marin « flotte entre deux eaux », alors qu'à la surface, il avait une flottabilité positive.
De plus, pour qu'il y ait redressement verticale du sous-marin, il faut que le centre de gravité soit au-dessus du centre de poussée (poussée d'Archimède) et non pas confondu, car alors il y aurait équilibre indifférent et le sous-marin prendrait n'importe quelle position. Comme cette condition est toujours réalisée sur un sous-marin qui navigue, il est inchavirable en plongée, si aucun mouvement de masses mal arrimées ne se produit.
Schéma du centre de gravité et du centre de poussée sur un sous-marin. (Po représente la poussée d'Archimède et Pg représente le poids du sous-marin).