TP9 La physique de la propulsion par réaction

PARTIE 2 : Temps, mouvement et évolution
TP9
La physique de la propulsion par réaction
Pour avancer, le rameur s’appuie sur l’eau, l’oiseau sur l’air. Mais comment se déplacer dans
le vide de l’espace, sans support physique ?
OBJECTIF : Mettre en œuvre une démarche expérimentale pour étudier un mouvement.
Mettre en œuvre une démarche expérimentale pour interpréter un mode de propulsion
par réaction à l’aide d’un bilan qualitatif de quantité de mouvement.
Document 1 : Un ballon à réaction
Dès l’enfance on a expérimenté ce qui se passe lorsqu’on lâche par mégarde un ballon de baudruche
gonflé. Il se déplace vite mais de façon incontrôlée.
On apprécie bien mieux la grande vitesse du ballon si celui est guidé par un fil. La vidéo
TP9_Ballon_a_reaction.mp4 décrit cette expérience qui illustre la propulsion à réaction utilisée dans les
fusées et les avions.
Document 2 : Un exemple de propulsion par réaction
Pour montrer le principe de la propulsion par réaction on
peut utiliser une petite voiture improvisée qui catapulte
une pomme de terre ou tout autre objet.
Document 3 : Les lois de Newton
Deuxième loi de Newton ou principe fondamentale de la dynamique :
Dans un référentiel galiléen, la somme vectorielle des forces extérieures appliquée à un système
matériel est égale à la dérivée par rapport au temps de sa quantité de mouvement :
dp d(m.v)
∑ Fext = dt = dt
Remarque : Dans le cas où le système garde une masse constante on dit que le système est fermé. Si
le système est constitué de plusieurs objets, il faut veiller à bien le définir. Par exemple, le lancepatates éjecte l’objet initialement sur sa plate-forme, le système {lance-patates ; objet catapulté} est
fermé alors que le système {lance-patates} est ouvert.
Troisième loi de Newton ou principe des actions réciproques :
Lorsqu'un système matériel A exerce une force FA /B sur un système matériel B alors celui-ci exerce
sur le système matériel A une force opposée FB / A .
Ces 2 vecteurs forces sont opposés (même direction et norme mais sens opposé) : FA /B = −FB / A
TRAVAIL À EFFECTUER
S’APPROPRIER : 15 min conseillées
1. Réaliser l’expérience du « ballon à réaction ».
Schéma de l’expérience :
2. Proposez une première explication de la propulsion par réaction de ce ballon.
APPEL N°1
Appeler le professeur pour lui présenter vos conclusions
ou en cas de difficulté
ANALYSER : 15 min conseillées
3. À l’aide du matériel à disposition, élaborer un protocole permettant de filmer un lance-patates puis
d’exploiter cette vidéo à l’aide des logiciels Regavi et Regressi pour déterminer les vitesses des
deux parties du système après le catapultage.
RÉALISER : 15 min conseillées
4. Mettre en œuvre le protocole précédent permettant de mesurer les vitesses de chacune des deux
parties du lance-patates après leur séparation.
Vitesse du lanceur :
Intervalle de confiance de la mesure :
Vitesse de l’objet catapulté :
Intervalle de confiance de la mesure :
APPEL N°2
Appeler le professeur pour lui présenter les résultats expérimentaux
ou en cas de difficulté
VALIDER : 45 min conseillées
5. Déterminer les valeurs de la quantité de mouvement de chacune des deux parties du lance-patates
après leur séparation. Commenter les valeurs obtenues.
6. Faire l’analyse des forces qui agissent sur le système {lance-patates ; objet catapulté} avant et
après leur séparation et les schématiser.
Avant séparation :
Après séparation :
7. Montrer que l’application de la deuxième loi de Newton confirme qu’il y a conservation de la
quantité de mouvement du système {lance-patates ; objet catapulté} tout au long du mouvement.
8. Pourquoi dit-on que la conservation de la quantité de mouvement permet d’expliquer la propulsion
par réaction ?
9. Énigme du jour : Comment éviter le voyage intersidéral ?
Récemment embauché au CNES comme astronaute, votre première mission est de réparer le télescope
HUBBLE en orbite autour de la Terre.
Vous êtes bien concentré à revisser les boulons de la carène du
télescope avec votre clé à molette, lorsque soudain un fauxmouvement vous déséquilibre et vous fait lâcher la barre qui vous
raccrochait au télescope. Comble de malchance, vous vous rendez
compte que le fil d’Ariane qui vous reliait à votre capsule est
sectionné. La panique s’empare de vous en réalisant que vous vous
éloignez très lentement mais inexorablement de votre capsule,
vers le vide intersidéral. Que faire ?
APPEL N°3
Appeler le professeur pour lui présenter vos conclusions
ou en cas de difficulté
POUR S’ÉVALUER…
S’approprier
coeff 1
A
B
Analyser / Réaliser coeff 2
A
B
C
D
A
B
C
D
Valider
coeff 3 A B C D A B C D A B C D A B C D A B C D A B C D A B C D A B C D
Note
20 18 14 12 18 16 13 11 16 14 10 8 15 13 9 7 19 17 13 11 18 16 12 10 15 13 10 8 14 12 8 6
S’approprier
coeff 1
C
D
Analyser / Réaliser coeff 2
A
B
C
D
A
B
C
D
Valider
coeff 3 A B C D A B C D A B C D A B C D A B C D A B C D A B C D A B C D
Note
18 16 12 10 16 15 11 9 14 12 8 6 13 11 7 5 17 15 11 10 16 14 10 8 13 11 8 6 12 10 6 5