Terminale S, Lycée de la Versoie, Thonon

Terminale Ssi
MARION YOANN
Physique 3 : La mécanique de Newton
TP de Physique : Chute dans un fluide
Objectifs :
- étudier le mouvement de chute d'un solide dans un fluide,
- déterminer graphiquement une vitesse limite et un temps caractéristique de chute,
- SFE : savoir exploiter une vidéo avec un logiciel de pointage et traiter les données avec
un tableur.
I – Activités préliminaires : Saut en parachute !

On s'intéresse à une situation surprenante rencontrée au cinéma :
1°) Deux parachutistes s'élancent ensemble d'un avion
… Un parachutiste continue à filmer son équipier
pendant que celui-ci ouvre son parachute. Que
verra-t-on en visionnant le film ? Expliquer ce
mouvement apparent.
Réponse : Le caméraman va avoir l’impression de voir son coéquipier parachutiste remonter
dans l’air. Ceci est du a la poussée d’Archimède de l’air. Le référentiel est sur le caméraman
ce qui implique la remontée.

Voici un second problème simple : "Un corps deux
fois plus lourd qu'un autre tombe-t-il deux fois
plus vite ?"
2°) Proposer une réponse possible … On pourra réfléchir à la situation où les deux
parachutistes sautent en se tenant la main. On peut alors considérer qu'ils ne forment
qu'un seul "objet" deux fois plus lourd. Si, pendant leur chute, ils arrêtent de se tenir la
main …
Réponse : Ils resteront tout deux à la même hauteur (côte à côte), mais leur vitesse de chute
sera divisée par 2. La chute est indépendante de la masse. (On lie cause à effet : approche
dynamique).
3°) Les parachutistes sautent maintenant de deux altitudes différentes : le parachutiste A saute
de 1000 m alors que le parachutiste B saute de 3000 m. Ils déclenchent leur parachute à
250 m du sol. A cet instant, A atteint une vitesse limite de 200 km.h-1. Quand B ouvre son
parachute, sa vitesse est-elle égale, supérieure ou inférieure à 200 km.h-1 ? Expliquer.
Réponse : Les frottements de l’air sont les mêmes à 1000 et à 3000 mètres, donc dans les
mêmes conditions de saut, la vitesse de A est égale à celle de B soit 200km. h-1.
Visionner la vidéo "Chute_Lune" qui est disponible dans le répertoire : Favoris réseau\tout
le réseau\réseau microsoft windows\Dauphine\Phychi-108-labo\Documents\doc partagés
labo\ chutefluide.
4°) Décrire le mouvement de chute d'un marteau et d'une plume sur la Lune. Comment peuton expliquer la différence de mouvement de ces objets sur la Lune et sur la Terre ?
Réponse : Le mouvement de chute d'un marteau et d'une plume sur la Lune à une trajectoire
qui est rectiligne. En ce qui concerne le reste, on verra la réponse à cette question au prochain
chapitre de physique. Les deux éléments pris en compte sont le poids et les frottements de
l’air.
II – Etude expérimentale de la chute d'un objet dans un fluide.
 Pour vérifier la validité des hypothèses, on étudie la chute de quelques objets dans
différents fluides :
Nature du fluide




air
air
eau
huile
Nature de l'objet
ensemble de 4 ballons gonflables
Echelle vidéo
la taille du personnage est 1,85 m
solide en acier
1,00 m entre
0,15 m entre
les repères
les repères
Masse de l'objet (g)
19,0
27,0
5,13
5,13
Vitesse limite (m.s-1)
11.5
2.84
0.85
0.3
Temps caractéristique
(ms)
291
291
330
185

Accéder au logiciel "Aviméca" et ouvrir la vidéo qui correspond à l'étude de la
chute d’un solide en acier dans l’eau.

Visionner la vidéo en temps réel, puis image par image à l'aide des boutons prévus à
cet effet.

Utiliser le zoom car les mesures doivent être réalisées avec beaucoup de précision !

Se mettre d'accord sur un point P de l'objet qui sera visible et repérable tout au long
de la chute.

Ajuster la taille de la vidéo et régler les paramètres du pointeur (forme en croix,
couleur blanche).
 ETALONNAGE :
- cocher "origine et sens des axes", choisir un axe vertical dirigé vers le bas et placer
l'origine sur P,
- cocher "échelle" et définir l'échelle en s'aidant des données du tableau ci-dessus.
 MESURES : le point P est immobile sur les premières images !
- fixer l'origine des dates en sélectionnant le n° de l'image qui précède le début du
mouvement de P.
- pointer, image par image, la position du point P jusqu'à l'image qui précède le
toucher au sol.

Copier le tableau dans le presse-papiers pour exporter les valeurs dans une feuille
de calcul Excel.

Enregistrer immédiatement le document Excel dans votre zone personnelle.

Tracer la courbe représentant la distance parcourue y au cours du temps t.
Tracer maintenant la courbe de tendance de la partie droite de la courbe.
1°)
Décrire l'allure de cette courbe. Que peut-on dire du mouvement de l'objet en fin de
parcours ?
Réponse : La courbe représente presque une droite. Elle est un peu arrondie à l’origine, mais
en fin de parcours devient une droite avec un mouvement rectiligne uniforme. Au départ
nous pouvons remarquer une accélération, suivie d’une vitesse constante.
2°) Ecrire l'expression littérale qui permet de calculer la vitesse vi du point P à la date ti
connaissant la position précédente yi-1 et la position suivante yi+1 de ce point aux dates ti-1
et ti+1.
Réponse : L’expression littérale qui permet de calculer la vitesse vi du point P à la date ti
connaissant la position précédente yi-1 et la position yi+1 de ce point aux dates ti-1 et
ti+1 est:
Vi= ((yi+1) – (yi-1)) / ((ti+1) – (ti-1))

Dans le logiciel "Excel", créer une colonne "vitesse" et indiquer l'unité de cette
grandeur.

Entrer la valeur de la vitesse à la date t  0 correspondant à la première image.

Dans la première cellule où la vitesse peut être définie, saisir la formule qui
convient.

Copier la formule dans les autres cellules sauf la dernière.

Tracer une seconde courbe représentant la vitesse de l'objet au cours de la chute.
Tableau de valeurs :
Temps
t (s)
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1
1,1
1,2
1,3
1,4
1,5
Déplacement Vitesse
Vitesse limite Vitesse de t
y (m)
vi (m.s-1)
Vlim (m.s-1) Vt (m.s-1)
0
0
0,855
0,53
0,00591
0,0887
0,855
0,53
0,0177
0,18895
0,855
0,53
0,0437
0,402
0,855
0,53
0,0981
0,6065
0,855
0,53
0,165
0,7195
0,855
0,53
0,242
0,775
0,855
0,53
0,32
0,805
0,855
0,53
0,403
0,81
0,855
0,53
0,482
0,85
0,855
0,53
0,573
0,875
0,855
0,53
0,657
0,85
0,855
0,53
0,743
0,86
0,855
0,53
0,829
0,855
0,855
0,53
0,914
0,855
0,855
0,53
1
0,855
0,53

Imprimer l'ensemble {tableau + courbes} en mode paysage.

Relier les points à main levée en adoptant un tracé passant "au plus proche" du
nuage de points.
3°)
Décrire l'allure de la courbe v  f(t). Que peut-on dire sur la nature du mouvement de
l'objet ?
Réponse : La courbe a une forme exponentielle. Le mouvement de l’objet est donc rectiligne
uniforme en fin de parcours.
4°)
Noter, sur le graphique v  f(t), les deux phases du mouvement : régime transitoire et
régime permanent.
Réponse : Voir graphique ci-dessus
5°)
Déterminer la valeur de la vitesse limite vlim atteinte par l'objet en régime permanent.
Réponse : Nous faisons la moyenne des 4 derniers points pour obtenir la vitesse limite (car la
vitesse limite est la vitesse atteinte en régime permanent), on obtient :
vlim= (0.85+0.86+0.855+0.855)/4=0.855
La vitesse limite vlim vaut donc 0.855 m.s-1

Le temps caractéristique  donne un ordre de grandeur de la durée du régime
transitoire.

Il s'agit de l'abscisse du point d'intersection entre la tangente à la courbe à t = 0 et
l'asymptote v lim.
6°)
A partir de la courbe v  f(t), évaluer la valeur du temps caractéristique du
mouvement.
Réponse : On prend 0.63*vlim = 0.63*0.855 = 0.53
Par méthode graphique, on a :
3.8cm = 0.5s donc 2.5cm = 0.33s
A partir du graphique, on évalue τ à 330ms
 Sur le tableau de la classe, noter les valeurs mesurées de v lim et de  correspondant à
votre chute.
III – Etude théorique pour ceux qui ont terminé …
Principe d'inertie : Un corps est au repos ou en
mouvement rectiligne uniforme s'il est soumis à un
ensemble de forces qui se compensent !
Poussée d'Archimède : Tout corps plongé dans un fluide
subit une force constante dirigée vers le haut !
Galilée
1°) On s'intéresse d'abord à la phase correspondant au tout début du mouvement :
a) Dans quel référentiel étudie-t-on le mouvement de l'objet ?
Réponse : On étudie le mouvement de l’objet dans le référentielle terrestre supposé galiléen.
b) Dresser l'inventaire des forces qui agissent sur le système
Réponse : Les forces qui agissent sur le système sont :
- Le poids P verticale vers le bas de formule m*g
- La poussée d’Archimède verticale vers le haut
c) Pourquoi la valeur de la poussée d'Archimède est-elle forcément inférieure à celle du
poids ?
Réponse : Elle est forcément inférieur a celle du poids car sinon l’objet s’éloignerai du sol au
lieu de s’en rapprocher.
2°) On s'intéresse maintenant à la phase qui correspond au régime permanent :
a) Montrer que le système est inévitablement soumis à une troisième force.
Réponse : Un corps est en régime permanent s’il est soumis à un ensemble de forces qui se
compensent a dit Galilée.
b) Donner les caractéristiques de cette force (point d'application, direction, sens).
Réponse : Cette force est : les frottements de l’air qui s’applique sur toute la surface et qui est
verticale vers le haut.
c) La valeur de cette force dépend d'une grandeur du mouvement. Peut-on la deviner ?
Réponse : On peut la deviner, il s’agit de la vitesse car plus elle est importante plus les
frottements sont importants
d) A partir du tableau de mesures, recenser les paramètres qui agissent sur la valeur de
la vitesse limite.
Réponse : Les paramètres qui agissent sur la valeur de la vitesse limite sont :
- La nature de l'objet
- La nature du fluide
- La masse de l’objet
Exemple : Un glaçon dans l’eau