Boite 0g.

RESUME
Qui n’a jamais rêvé de vivre un moment dans la station internationale, dans ce lieu
magique où la Terre peut se contempler de la « fenêtre ». Mais passer du rêve à la réalité….
Alors beaucoup de questions se sont posées, et notamment est-il simple d’y vivre tout
simplement ? Ce questionnement nous a permis de nous diriger vers le comportement des
fluides et les actions qu’ils exercent sur les objets qui les entourent. Pour étudier l’effet de
l’impesanteur sur la poussée d’Archimède nous l’avons d’abord défini au laboratoire puis nous
l’avons étudié en situation d’impesanteur.
Il a donc fallu concevoir un dispositif simple permettant d’obtenir l’état d’impesanteur
pendant un laps de temps suffisant pour réaliser nos observations. Les recherches effectuées
sur les tours à chute libre et l’expérience de la campagne de vols paraboliques d’avril 2010
nous ont permis d’imaginer une boite qui peut être mise en chute libre et qui contient le matériel
nécessaire aux expériences. C’est ainsi que nous avons construit la boite à 0g et réaliser nos
expériences au cours de nombreux lancers du troisième étage de notre établissement.
SOMMAIRE
1. Qu’est-ce que l’impesanteur ? P2
2. Dans quelles situations peut-on être en impesanteur ? P5
3. Choix et réalisation du dispositif à O g P7
4. Expériences embarquées dans la boite 0g P9
5. Interprétation et comparaison avec les résultats des expériences réalisées en vol
parabolique
P15
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I. Qu’est-ce que l’impesanteur ?
Pour expliquer correctement le phénomène d’impesanteur, il faut connaître la notion de
pesanteur et d’apesanteur. En effet, même s’il est possible de trouver facilement des
informations sur ces notions, il arrive fréquemment que ces trois notions soient très mal
distinguées.
a. La pesanteur
Tout objet sur terre est soumis à son poids, c’est à dire à l'attraction gravitationnelle exercée
par la Terre : c’est le phénomène de pesanteur. Quand on tient un objet et qu’on le lâche sur
terre, il chute à cause de ce phénomène
Expérience: Debout dans une pièce et immobile par rapport au sol, un expérimentateur lâche
une balle de tennis.
Résultat: La balle de tennis chute à cause de l'attraction terrestre dans le référentiel
d’observation (le référentiel terrestre). La balle est soumise à l’attraction terrestre dans ce
dernier : elle connaît donc une modification de son mouvement observable pour
l’expérimentateur car il est repos dans le référentiel choisi.
b. L’apesanteur
L'apesanteur est un état dans l'espace où l'on ne semble plus soumis à la pesanteur
d’aucun astre. Or dans l'espace un corps est toujours soumis à l’attraction gravitationnelle d’un
autre corps massique.
Cet état particulier est en fait un cas idéal qui ne peut exister en réalité. Il est impossible
d’isoler un objet loin de tout autre corps massique.
Par contre il est possible de se trouver dans des situations où un corps ne semble plus
soumis au phénomène de pesanteur : C’est le phénomène d’impesanteur
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c. L’impesanteur
D’après ce qui vient d’être dit l'impesanteur est donc le phénomène ressenti en l'absence de
pesanteur. Pour l’expliquer, nous allons imaginer deux situations simples autour du lancer de la
balle de tennis
Expérience: Cette fois, l’expérimentateur monte sur la table et lâche la balle au moment où il
saute de cette dernière
Résultat : La balle de tennis chute à la même vitesse que le personnage .La balle se déplace
par rapport au référentiel terrestre par contre elle reste immobile par rapport au personnage.
Expérience: Il faut imaginer que le sol disparaît sous les pieds de l’expérimentateur lorsqu’il
lâche la balle en sautant de la table située la pièce qu'on peut assimiler à une boite qui chute
dans le vide
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Résultat: la boite chute à la même vitesse que les objets qu'elle contient, par conséquent les
objets paraissent immobiles les uns par rapport aux autres tant que la chute dure, ce qui laisse
croire à l’expérimentateur que les objets et lui même flottent par rapport à la boite : c'est le
phénomène d'impesanteur. Par rapport à la boite l’expérimentateur et les objets qui l’entourent
n’ont plus de poids : Le poids apparent est égal au vecteur nul
d. Poids apparent : Etude de la dernière situation
Le référentiel choisi pour
cette étude est le
référentiel de la boite.
Ce référentiel n’est pas
galiléen car il est en
translation rectiligne
accéléré par rapport au
référentiel terrestre qui lui
est galiléen pour le
phénomène étudié
Le système étudié est
l’expérimentateur
Bilan des actions mécaniques : poids
P
, force d’inertie d’entraînement
e
ie
amf −=
où
e
a
est
l’accélération d’entraînement. Le poids apparent dans la boite correspond à la somme de ces
deux forces.
L’application de la seconde loi de Newton permet d’écrire dans ce référentiel :
e
ie
amPfPam −=+=
or l’accélération d’entraînement est l’accélération de la boite par rapport
au référentiel terrestre. La boite tombe dans le vide son accélération est égale à
g
. Le poids
apparent de l’expérimentateur est donc nul. Dans le référentiel de la boite, il n’est plus soumis à
aucune force, son accélération est nulle, et il ne connaît aucune modification de son
mouvement. C’est pourquoi lui et les objets contenus dans la boite donnent l’impression de
flotter.
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II. Dans quelles situations peut-on être en impesanteur ?
D’après ce qui vient d’être dit pour être en situation d’impesanteur, il faut être dans un lieu en
chute libre par rapport au référentiel terrestre. Il existe plusieurs possibilités qui proposent des
durées de microgravité (impesanteur) pouvant aller de quelques secondes à quelques mois.
a. Les vols paraboliques dans l’airbus A-300 0G
Au cours de ce type de vol on place un avion en chute libre, et tous les objets situés à
l’intérieur de ce dernier se trouvent en état d’impesanteur.
Pour ce faire, les pilotes donnent à leur avion une trajectoire parabolique. Quand l’avion atteint
une inclinaison de 45°, le pilote réduit
rapidement le régime moteur : l’avion
n’est plus soumis qu’à son poids (En
réalité le pilote contrôle la poussée des
moteurs pour rester dans ces
conditions) et poursuit son mouvement
en suivant une trajectoire parabolique.
Les objets situés à l’intérieur de l’avion
n’ont plus de poids apparent, ils sont
en impesanteur (cette période va durer
20s). Quand l'avion finit sa parabole
avec une inclinaison à nouveau égale
à 45° la poussée est remise en place
et l’appareil se redresse progressivement.
En France, la société NOVESPACE exploite un airbus A300 : L’AIRBUS A300 0g et réalise des
campagnes de vols paraboliques permettant la réalisation d’expériences en impesanteur. Une
campagne de vols paraboliques dure sur le site deux semaines : une semaine de préparation
des expériences et une semaine d’expérimentation à raison d’un vol permettant d’effectuer 32
paraboles par jour
b. Les fusées sondes :
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