memoire (3)

RESUME

Qui na jamais rv de vivre un moment dans la station internationale, dans ce lieu magique o la Terre peut se contempler de la fentre . Mais passer du rve la ralit. Alors beaucoup de questions se sont poses, et notamment est-il simple dy vivre tout simplement ? Ce questionnement nous a permis de nous diriger vers le comportement des fluides et les actions quils exercent sur les objets qui les entourent. Pour tudier leffet de limpesanteur sur la pousse dArchimde nous lavons dabord dfini au laboratoire puis nous lavons tudi en situation dimpesanteur.

Il a donc fallu concevoir un dispositif simple permettant dobtenir ltat dimpesanteur pendant un laps de temps suffisant pour raliser nos observations. Les recherches effectues sur les tours chute libre et lexprience de la campagne de vols paraboliques davril 2010 nous ont permis dimaginer une boite qui peut tre mise en chute libre et qui contient le matriel ncessaire aux expriences. Cest ainsi que nous avons construit la boite 0g et raliser nos expriences au cours de nombreux lancers du troisime tage de notre tablissement.

SOMMAIRE

1. Quest-ce que limpesanteur ? P2

2. Dans quelles situations peut-on tre en impesanteur ? P5

3. Choix et ralisation du dispositif O g P7

4. Expriences embarques dans la boite 0g P9

5. Interprtation et comparaison avec les rsultats des expriences ralises en vol parabolique

P15

Lyce Des Flandres Boite 0g 1

I. Quest-ce que limpesanteur ?

Pour expliquer correctement le phnomne dimpesanteur, il faut connatre la notion de pesanteur et dapesanteur. En effet, mme sil est possible de trouver facilement des informations sur ces notions, il arrive frquemment que ces trois notions soient trs mal distingues.

a. La pesanteur

Tout objet sur terre est soumis son poids, cest dire l'attraction gravitationnelle exerce par la Terre : cest le phnomne de pesanteur. Quand on tient un objet et quon le lche sur terre, il chute cause de ce phnomne

Exprience: Debout dans une pice et immobile par rapport au sol, un exprimentateur lche une balle de tennis.

Rsultat: La balle de tennis chute cause de l'attraction terrestre dans le rfrentiel dobservation (le rfrentiel terrestre). La balle est soumise lattraction terrestre dans ce dernier : elle connat donc une modification de son mouvement observable pour lexprimentateur car il est repos dans le rfrentiel choisi.

b. Lapesanteur

L'apesanteur est un tat dans l'espace o l'on ne semble plus soumis la pesanteur daucun astre. Or dans l'espace un corps est toujours soumis lattraction gravitationnelle dun autre corps massique.

Cet tat particulier est en fait un cas idal qui ne peut exister en ralit. Il est impossible disoler un objet loin de tout autre corps massique.

Par contre il est possible de se trouver dans des situations o un corps ne semble plus soumis au phnomne de pesanteur : Cest le phnomne dimpesanteur


c. Limpesanteur

Daprs ce qui vient dtre dit l'impesanteur est donc le phnomne ressenti en l'absence de pesanteur. Pour lexpliquer, nous allons imaginer deux situations simples autour du lancer de la balle de tennis

Exprience: Cette fois, lexprimentateur monte sur la table et lche la balle au moment o il saute de cette dernire

Rsultat : La balle de tennis chute la mme vitesse que le personnage .La balle se dplace par rapport au rfrentiel terrestre par contre elle reste immobile par rapport au personnage.

Exprience: Il faut imaginer que le sol disparat sous les pieds de lexprimentateur lorsquil lche la balle en sautant de la table situe la pice qu'on peut assimiler une boite qui chute dans le vide


Rsultat: la boite chute la mme vitesse que les objets qu'elle contient, par consquent les objets paraissent immobiles les uns par rapport aux autres tant que la chute dure, ce qui laisse croire lexprimentateur que les objets et lui mme flottent par rapport la boite : c'est le phnomne d'impesanteur. Par rapport la boite lexprimentateur et les objets qui lentourent nont plus de poids : Le poids apparent est gal au vecteur nul

d. Poids apparent : Etude de la dernire situation

Le rfrentiel choisi pour cette tude est le rfrentiel de la boite. Ce rfrentiel nest pas galilen car il est en translation rectiligne acclr par rapport au rfrentiel terrestre qui lui est galilen pour le phnomne tudi

Le systme tudi est lexprimentateur

Bilan des actions mcaniques : poids P , force dinertie dentranement eie amf = o ea est lacclration dentranement. Le poids apparent dans la boite correspond la somme de ces deux forces.

Lapplication de la seconde loi de Newton permet dcrire dans ce rfrentiel : eie amPfPam =+= or lacclration dentranement est lacclration de la boite par rapport

au rfrentiel terrestre. La boite tombe dans le vide son acclration est gale g . Le poids apparent de lexprimentateur est donc nul. Dans le rfrentiel de la boite, il nest plus soumis aucune force, son acclration est nulle, et il ne connat aucune modification de son mouvement. Cest pourquoi lui et les objets contenus dans la boite donnent limpression de flotter.


II. Dans quelles situations peut-on tre en impesanteur ?

Daprs ce qui vient dtre dit pour tre en situation dimpesanteur, il faut tre dans un lieu en chute libre par rapport au rfrentiel terrestre. Il existe plusieurs possibilits qui proposent des dures de microgravit (impesanteur) pouvant aller de quelques secondes quelques mois.

a. Les vols paraboliques dans lairbus A-300 0G

Au cours de ce type de vol on place un avion en chute libre, et tous les objets situs lintrieur de ce dernier se trouvent en tat dimpesanteur.

Pour ce faire, les pilotes donnent leur avion une trajectoire parabolique. Quand lavion atteint une inclinaison de 45, le pilote rduit rapidement le rgime moteur : lavion nest plus soumis qu son poids (En ralit le pilote contrle la pousse des moteurs pour rester dans ces conditions) et poursuit son mouvement en suivant une trajectoire parabolique. Les objets situs lintrieur de lavion nont plus de poids apparent, ils sont en impesanteur (cette priode va durer 20s). Quand l'avion finit sa parabole avec une inclinaison nouveau gale 45 la pousse est remise en place et lappareil se redresse progressivement.

En France, la socit NOVESPACE exploite un airbus A300 : LAIRBUS A300 0g et ralise des campagnes de vols paraboliques permettant la ralisation dexpriences en impesanteur. Une campagne de vols paraboliques dure sur le site deux semaines : une semaine de prparation des expriences et une semaine dexprimentation raison dun vol permettant deffectuer 32 paraboles par jour

b. Les fuses sondes : Lyce Des Flandres Boite 0g 5

Le but des fuses sondes est d'envoyer une fuse en orbite qui va permettre de raliser des mesures et des expriences en microgravit pendant quelques minutes. Elles peuvent emporter du matriel pesant plus d'une centaine de kilogramme

c. La station internationale

Elle permet de raliser des expriences en microgravit pendant plusieurs semaines

d. Les tours ou puits chute libre

Ils permettent d'obtenir des phases de 3 10 s de microgravit grce une chute verticale. Ils sont utiliss pour mener des expriences en impesanteur.


III. Choix du dispositif

a. Justification du choix

Aprs avoir vcu une campagne de vols paraboliques en avril 2010, lenvie de pouvoir nouveau exprimenter en microgravit tait grande. Financer nous mme une nouvelle campagne ntant pas possible, lachat dun airbus non plus, nous nous sommes alors intresss la tour de chute libre du ZARM (Centre allemand des applications de la microgravit) Brme et avons choisi de travailler dans une boite en chute libre.

Pour avoir une dure de chute suffisante pour raliser nos expriences, il fallait imaginer un lieu o la hauteur de chute serait importante. Les essais ont toujours t raliss dans les salles de TP avec une hauteur de chute de 2 m. Les mesures tant effectues en jetant la boite du 3ime tage du lyce.

La hauteur maximale de chute quil a t possible de mettre en place est de 14m.

La boite est tudie dans le rfrentiel terrestre pouvant tre considr galilen pendant la chute de celle-ci. Elle nest soumise qu son poids P (en supposant que les frottements sont ngligeables pendant le mouvement).

Lapplication de la seconde loi de Newton permet dcrire que la somme des forces appliques au systme est gale au produit de la

masse par lacclration du centre dinertie du systme :Pam G =

Ltude de cette relation vectorielle sur laxe du mouvement permet dexprimer que la distance parcourue sur laxe vertical en fonction du

temps sous la forme : 21 gtz = Le temps de la chute peut alors

scrire : gzt 2=

Dans notre cas la hauteur de chute est denviron 14 m, on en dduit alors que notre dure de chute donc dimpesanteur sera denviron 1.7s

Ce rsultat est vrifi par lintermdiaire de lacquisition vido.

b. Description de la boite

La boite choisie est paralllpipdique en carton de dimension suffisante pour recevoir nos expriences (H=0.25m ; L=0.50m; l= 0.30 m)


En plus des expriences, il a fallu insrer dans la boite un dispositif dacquisition vido autonome pour filmer lintrieur de la boite au cours des diffrentes chutes.

Nous avons utilis deux dispositifs : une mini camra nous permettant denregistrer sur une carte micro SD ainsi quune camra miniature sans fil qui par lintermdiaire dun transmetteur nous a permis dobserver en direct les phnomnes.

Lintrieur de la boite est renforc par du contreplaqu, et des colliers de serrage sont installs pour maintenir les diffrents dispositifs (Support dexprience, support de camra,..). Du polystyrne est cale lintrieur de la boite pour viter les chocs entre les camras et la matriel et une source de lumire DEL est fixe sur une des faces latrales.

Pour tester notre dispositif nous avons fait quelques tests au laboratoire en plaant des figurines dans la boite et en se la jetant tout en lui donnant un mouvement parabolique. Les vidos nous ont permis de mettre en vidence un tat dimpesanteur pour tous les objets situs dans la boite par rapport la boite.

t=0s t=0.08s t=0.16s

t=0.24s t=0.30s t=0.46s


IV. Expriences Ralises

a. Dfinition de la pousse dArchimde

Exprience prliminaire : dtermination de la constante de raideur du ressort utilis On mesure la tension du ressort en fonction de son allongement en suspendant des masses marques son extrmit. Ltude des quilibres pour chacune de ces masses permet de retrouver lintensit de la tension, lallongement tant mesur directement sur le ressort.

T=f(x)T = 11.905x + 0.0024

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3

x(m)

T(N)

Conclusion : La constante de raideur du ressort utilis par la suite est de 11.9 N.m-1

Mise en vidence qualitative

Observation : Lallongement du ressort diminue lorsque la masse est plonge dans leauConclusion : Leau exerce une force sur la masse dirige suivant la verticale vers le haut ; cette force est la pousse dArchimde :

Lyce Des Flandres Boite 0g

EAU

Masse de 128.8g

AIR

lo l0

Masse de 128.8g

9

Ltude de lquilibre dans le rfrentiel terrestre de la masse immerge dans leau permet dcrire : 0=++ TP mgkxPT +=+= avec x= allongement du ressort Avec nos mesures dans la situation o le ressort est immerg dans leau, on trouve : X=7,2cm= 0.072m T= 11,9 * 0,072=0,86Nm=128.8g=0.1288kg P=0.1288*9.81 = 1.26NDo N40.086.026.1 ==

Cette valeur correspond au poids du volume deau qui a t dplac par limmersion de la balle : NgVP dfd 40,081,9041.01 === avec Vd = 41 mL

Un systme immerg partiellement ou totalement dans un fluide subit une action mcanique de ce dernier dirige suivant la verticale, vers le haut avec une intensit gale au poids du volume de fluide dplac

Comment expliquer lexistence de la pousse dArchimde ?

La pousse dArchimde est exerce par le fluide. Il faut donc chercher des interactions entre ce dernier et le corps immerg. En observant le systme prcdent immerg dans de leau, on peut supposer que leau appuie sur ses parois : leau exercent des forces pressantes sur la totalit des surfaces.Les forces pressantes dpendent de la pression au point considr et de la surface et elles sexpriment sous la forme F=pS.

La rsultante des forces pressantes exerces sur notre objet est la somme des forces pressantes exerces sur la totalit des faces de notre systme

Il faut alors connatre les valeurs de pression en chaque point des diffrentes surfaces. Les mesures montrent que la pression est dautant plus grande que la hauteur de liquide situ au dessus du point de mesure est grande. Dautre part on peut remarquer que la pression mesure en des points appartenant des surfaces horizontales sont la mme pression. Les forces pressantes exerces sur les parois latrales en des points appartenant des plans horizontaux auront forcment mme intensit et seront toutes diriges dans ce plan vers laxe de notre objet. Ces forces prises deux deux en des points diamtralement opposs se compensent : On peut alors considrer que la rsultante des forces pressantes sur la paroi latrale de notre systme est gale au vecteur nul.

La rsultante des forces pressantes exerces sur notre systme est donc la somme des forces pressantes exerces sur les faces infrieures et suprieures. Dans notre tude, ces faces appartiennent des plans horizontaux, ce qui veut dire que tous les points de ces faces sont la mme pression. Les mesures des pressions sur les faces suprieure et infrieure nous ont donc permis de dterminer la rsultante des forces de pression :


Forces pressantes exerce sur la face suprieure

Forces pressantes exerces sur les faces latrales

Forces pressantes exerces sur la face infrieure

10

Face suprieure Face infrieure Comme ces deux forces sexercent dans des directions opposes, la rsultante des forces pressantes scrit :F=Finf-Fsup=0,35N

PressionPsup= 1026hPa Pinf= 1033hPa

Force pressante Fsup =Psup.S=50,36N Finf =Pinf.S=50, 71N

Cette force est donc dirige suivant la verticale vers le haut avec une intensit gale 0.35NEn considrant une erreur de 1hPa par cart de pression notre rsultat est compris entre 0,29N et 0,4N

Est-ce que cette force pressante a un rapport avec la pousse dArchimde ?

En comparant cette force avec la pousse dArchimde, on se rend compte que ces deux forces sont identiques : la pousse dArchimde correspond la rsultante des forces pressantes exerces par le fluide sur lobjet immerg.

Pour tudier les effets de la microgravit sur la pousse dArchimde, nous allons la mesurer dans notre boite au cours dune chute.

b. Description du dispositif

Pour mettre en vidence labsence de pousse dArchimde en microgravit, Nous avons construit un dispositif susceptible dtre embarqu dans notre boite.

Il est constitu dun tube en plexiglas de 5 cm de diamtre et de hauteur 25 cm. Ce tube est ferm hermtiquement aux deux extrmits et il est rempli deau. Un ressort fix la partie infrieure du tube dun cot. A lautre extrmit du ressort, une balle de ping-pong est accroche.


La balle est soumise 3 forces : -Son poids P-La pousse dArchimde pi-La tension du ressort T Le systme est lquilibre

La premire loi de Newton nous permet d'affirmer que les trois forces se compensent.

Remarque : Le poids est ngligeable par rapport la pousse d'Archimde et la tension du ressort car la masse de la balle est beaucoup plus faible que la masse deau dplace

c. Expriences

Exprience 1 :

Le dispositif et la camra sont fixs dans la boite. La lampe est allume. La boite est ferme laide de velcro puis lche du troisime tage du lyce.


Eau

Balle de ping-pong

Ressort

NiveauA 1g P

AP

T

12

Observations :

La balle quitte sa position initiale pendant la chute. Elle redes-cend et on remarque que le ressort reprend sa longueur vide.

Conclusion :

La pousse dArchimde a disparu : elle nentrane plus la balle vers le haut.

La pousse dArchimde nexiste pas en microgravit

La pousse dArchimde est la rsultante des forces de pres-sion. Il est donc possible daffirmer que la rsultante des forces pressantes au sein dun fluide au repos est nulle en mi-crogravit. Les forces pressantes qui sexercent en chaque point de la balle se compensent : elle doivent toutes avoir mme intensit La pression doit tre la mme en chaque point du fluide au repos

Remarque : Le ressort a repris sa longueur vide, sa tension est nulle.

La balle nest soumise aucune force dans ce rfrentiel

Exprience 2 :

Une bouteille en verre de 250mL deau est remplie deau au . Un bouchon en lige y est introduit. Elle est fixe dans le dispositif comme dans lexprience 1, puis le boite est lche par la fentre.

Observations :

La surface de leau se dforme et le bouchon est anim d'un mouvement alatoire

Lvolution suivante montre les observations au cours de la chute


Conclusion :

Le bouchon nest plus soumis la pousse dArchimde pendant la chute : Elle nexiste plus en microgravit La pression est la mme en chaque point dun fluide au repos en microgravit

Remarque : Pendant la chute, leau monte et tente de recouvrir toute la surface de contact avec le verre : Ce phnomne est li aux forces de tension superficielle. En effet en microgravit les forces de tensions superficielles ne sont plus ngligeables par rapport aux autres forces et nous pouvons observer leurs effets.

Exemples : Lors de la campagne de vols paraboliques nous avons mis en vidence lexistence de ces forces notamment dans des tubes capillaires. En impesanteur, lascension par capillarit devient trs importante. Sur les photo1, 2 et 3 leau colore monte dans les diffrents tubes et finit par dborder. Sur les photos 4 et 5 issues des expriences du lyce de la Runion, leau de laquarium couvre les surfaces de ce dernier en impesanteur. La tension superficielle air verre est prdominante devant la tension air eau et eau air : la surface de contact air verre diminue sous leffet de la tension superficielle.

Photo1 Photo2 Photo3


Photo4 Photo5

V. Comparaison avec les rsultats des expriences ralises en vol parabolique

Au cours de la campagne de vols paraboliques davril 2010, nous avons ralis diffrentes expriences concernant la pression au sein des fluides au repos.

Dans une bouteille transparente en PET (50cL) nous avons plac diffrents corps flottants (flotteurs de pche avec diffrents lests) dans de l'eau colore. L'tude porte sur le comportement de ces corps lors des diffrentes phases du vol parabolique. La bouteille tait fixe sur la plaque de galva constituant le fond du chssis fourni par le CNES.

En phase de vol normal (1g), les flotteurs occupent une position particulire suivant leur lestLa pousse dArchimde permet d'expliquer ces observations

Pendant la parabole de lavion en phase de microgravit, les flotteurs n'ont plus de position clairement dfinie

La pousse dArchimde disparat en micropesanteur.

Lexprience ralise au laboratoire est en accord avec les observations que nous avons ralises au cours de la campagne de vols paraboliques.


Au cours de la campagne de vols paraboliques nous avons montr que les diffrences de pression statique au sein des fluides disparaissaient en microgravit. La pression en diffrents points dune colonne de liquide en microgravit est constante.

Ce rsultat est en accord avec linterprtation des expriences ralises dans la boite. En effet, dans ces conditions, la rsultante des forces pressantes sur un objet immerg est nulle, il nexiste donc pas de pousse dArchimde en microgravit

50 100 150 200 250 300 350

hauteur (m m )

-100

-80

-60

-40

-20

0

20

40

60

80

100DP0g (m Pa)

Conclusion

Au cours de nos recherches et de nos travaux nous avons russi crer une zone dexprimentation en impesanteur. La boite 0g permet de se placer dans des conditions de micropesanteur assez satisfaisante.

La limite principale rside dans la dure dexprimentation qui ne peut excder 2 secondes

Lintrt du dispositif est de pouvoir tudier des phnomnes rgis par des actions mcaniques de faible intensit. En effet au laboratoire les poids des systmes viennent souvent cacher les effets des forces de plus faible intensit. Cest le cas avec le phnomne de tension superficielle, mais cest aussi le cas des forces magntiques et des forces lectriques.


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