OLYMPIADES DE PHYSIQUE France XVII

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OLYMPIADES DE PHYSIQUE France XVIIe édition
Année 2009-2010
OBJECTIF LUNE
Elèves participants :
Cretin Thimothy Nouhaud Alexandre Saubagnac Clément
Avec LACLAVERIE Jean-Michel
Professeur encadrant
Lycée Bernard Palissy- AGEN
Académie de Bordeaux

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Table des matières
Résumé
Introduction
1- Présentation historique des fusées
2- La propulsion à réaction
3- Fabrication d’une fusée à eau
4- Trajectoire, vitesse, accélération de la fusée
5- Etude de l’évolution de la pression de l’air dans la fusée
6- La force de Poussée
7- Objectif lune…
Conclusion
Bibliographie

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Résumé
Le but de notre travail est d’abord de faire voler une fusée à eau et d’étudier
sa trajectoire, sa vitesse grâce au logiciel latispro. Puis au laboratoire, des modèles
de fusée sous pression plus faible permettent de décrire l’évolution de la pression de
l’air dans la fusée et de la quantité d’eau en fonction du temps. Enfin, nous
essayerons de répondre à la question :
« Une fusée à eau peut-elle voler jusqu’à la lune ? »
Introduction
Dans le cadre des TPE en première S, nous avons cherché un sujet qui pourrait à
la fois nous permettre de réussir l’épreuve du baccalauréat, et se lancer dans
l’aventure des Olympiades de physique.
Les fusées à eau sont des systèmes mécaniques assez faciles à réaliser. Il ne
faut pour cela que des bouteilles plastiques, du scotch et une pompe à vélo. Le coût
est raisonnable. Les programmes de physique de seconde et de première S
abordent la mécanique : Principe de l’inertie et troisième loi de Newton, études des
forces, des vitesses et des trajectoires. Notre professeur a accepté. Les conditions
étaient donc réunies pour tenter l’aventure.
Nous avons cependant rencontré des difficultés. Notre professeur nous a interdit
de dépasser des pressions d’1,5 bar au laboratoire, à cause des risques pour le
matériel informatique et électronique. Nous avons accepté cette contrainte et notre
travail s’est effectué en deux parties :
- Réalisation et vol de plusieurs fusées à eau avec des pressions de l’air de
l’ordre de 5 bar. Ces vols sont filmés pour être étudiés sur Latispro.
- Etude de systèmes de laboratoire sous plus faible pression.
Après une petite présentation de l’histoire des fusées, nous aborderons l’étude
mécanique de notre fusée à partir de nos connaissances d’élèves de première S
(pas de seconde loi de Newton, ni de théorème de Bernoulli !). Puis nous décrirons la
fabrication et le vol de nos fusées en extérieur. La dernière partie de notre travail
concerne l’étude au laboratoire, la seule que le jury pourra voir en direct. Nous
étudierons l’évolution de la pression de l’air dans la fusée, puis la vitesse et la
trajectoire de notre système mécanique grâce à un fichier vidéo et au logiciel
Latispro. Nous aborderons aussi l’étude de l’évolution de la quantité d’eau éjectée en
fonction du temps.
Pour terminer, comme nous l’avons précisé dans le résumé, nous voulons
essayer de répondre à la question :
« Une fusée à eau peut-elle voler jusqu’à la lune ? »
1- Présentation historique des fusées
Avant de se lancer dans l’étude des fusées à eau, nous avons voulu en savoir un
peu plus sur les fusées en général et sur leur histoire.
Même si du point de vue historique il est difficile de déterminer une date exacte
de « la » première fusée, il faut savoir que le principe de la fusée existe depuis fort
longtemps. En effet nos ancêtres l’ont utilisé sans savoir qu’un jour, une fusée

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pourrait atteindre des distances phénoménales et transporter des passagers sur la
Lune !
Les premiers à avoir mis en place le principe de la fusée sont les chinois ; ils
remplissaient d’une sorte de poudre à canon (mélange de soufre, de salpêtre et de
charbon de bois) un bambou qu’il faisait ensuite brûler pour produire une explosion.
Cette pratique fut utilisée dans un premier temps à des fins religieuses. Mais ensuite,
les chinois ont compris que le bambou pouvait se propulser de lui-même grâce à la
poussée des gaz éjectés.
Et c’est en 1232 lors de la bataille de Kai – Keng que
les chinois triomphèrent face aux mongols grâce à une
invention très ingénieuse qui consista à fixer une fusée
(mécanisme propulsé grâce à de la poudre) à une simple tige
de bois: c’est la flèche de feu (ou lance de feu).
Flèche de feu.
La fusée devient une science étudiée de très prêt par Isaac
Newton (1642-1727) grand mathématicien et physicien du XVIIIème
siècle. Il établit notamment le principe d’action-réaction ainsi que
plusieurs lois afin de mieux comprendre le fonctionnement d’une
fusée. Les études et les recherches de Newton ont donc été d’une
aide précieuse pour les scientifiques qui l’ont suivi.
Isaac Newton
A la fin du XVIIIème siècle et au début du XIXème siècle, la fusée est utilisée
comme arme de guerre. En effet, William Congreve était un officier d’artillerie qui
devint très vite lieutenant colonel. Il eut l’idée d’utiliser les fusées comme une
véritable arme. Elles lui ont été d’une grande aide lors des guerres napoléoniennes.
Elles pesaient 12 kg environ, et leur portée était de 1 800 m. Ce qui n’était pas rien
pour cette époque. Mais les progrès de l’artillerie ont fait que très vite cette idée fut
abandonnée.

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William
Congreve
Fusées rockets de William Congreve
La fusée à propergol liquide :
La théorie d’utiliser des carburants liquides pour améliorer la propulsion de la
fusée fut étudiée par le russe Constantin Tsiolkovski vers 1898. Il suggéra également
la possibilité d’explorer l’espace grâce aux fusées.
Et elle fut appliquée par Robert Goddard ingénieur et physicien américain le 16
mars 1926. Il réalisa à Auburn le lancement d’une fusée propulsée par un mélange
d’essence et d’oxygène liquide. C’est la première fois qu’une fusée à propergol
liquide est lancée. Elle décolla à une hauteur 12,50m en 2. 5 secondes, soit une
moyenne d'environ 60 km/h. La combustion de la fusée aura durée 20 secondes
pour que celle-ci ai une poussée suffisante pour décoller.