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
Lycée Des Flandres
Boite 0g
1
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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2
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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3
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 f ie = − ma e où a e 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 :
ma = P + f ie = P − ma e 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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Le but des fusées sondes est d'envoyer une fusée en orbite
qui va permettre de réaliser des mesures et des expériences
en microgravité pendant quelques minutes. Elles peuvent
emporter du matériel pesant plus d'une centaine de
kilogramme
c. La station internationale
Elle permet de réaliser des expériences en microgravité pendant plusieurs semaines
d. Les tours ou puits à chute libre
Ils permettent d'obtenir des phases de 3 à 10 s de
microgravité grâce à une chute verticale. Ils sont utilisés
pour mener des expériences en impesanteur.
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III.
Choix du dispositif
a. Justification du choix
Après avoir vécu une campagne de vols paraboliques en avril 2010,
l’envie de pouvoir à nouveau expérimenter en microgravité était grande.
Financer nous même une nouvelle campagne n’étant pas possible, l’achat
d’un airbus non plus, nous nous sommes alors intéressés à la tour de
chute libre du ZARM (Centre allemand des applications de la
microgravité) à Brême et avons choisi de travailler dans une boite en
chute libre.
Pour avoir une durée de chute suffisante pour réaliser nos
expériences, il fallait imaginer un lieu où la hauteur de chute serait
importante. Les essais ont toujours été réalisés dans les salles de TP avec
une hauteur de chute de 2 m. Les mesures étant effectuées en jetant la
boite du 3ième étage du lycée.
La hauteur maximale de chute qu’il a été possible de mettre en place
est de 14m.
La boite est étudiée dans le référentiel terrestre pouvant être considéré
galiléen pendant la chute de celle-ci. Elle n’est soumise qu’à son poids P
(en supposant que les frottements sont négligeables pendant le
mouvement).
L’application de la seconde loi de Newton permet d’écrire que la
somme des forces appliquées au système est égale au produit de la
masse par l’accélération du centre d’inertie du système :
m aG = P
L’étude de cette relation vectorielle sur l’axe du mouvement permet
d’exprimer que la distance parcourue sur l’axe vertical en fonction du
1
temps sous la forme : z = gt ²  Le temps de la chute peut alors
2
2z
s’écrire : t =
g
Dans notre cas la hauteur de chute est d’environ 14 m, on en déduit
alors que notre durée de chute donc d’impesanteur sera d’environ 1.7s
Ce résultat est vérifié par l’intermédiaire de l’acquisition vidéo.
b. Description de la boite
La boite choisie est parallélépipédique en carton de dimension suffisante pour recevoir
nos expériences (H=0.25m ; L=0.50m; l= 0.30 m)
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En plus des expériences, il a fallu
insérer dans la boite un dispositif d’acquisition
vidéo autonome pour filmer l’intérieur de la
boite au cours des différentes chutes.
Nous avons utilisé deux dispositifs : une
mini caméra nous permettant d’enregistrer
sur une carte micro SD ainsi qu’une caméra
miniature sans fil qui par l’intermédiaire d’un
transmetteur nous a permis d’observer en
direct les phénomènes.
L’intérieur de la boite est renforcé par du contreplaqué, et des colliers de serrage sont
installés pour maintenir les différents dispositifs (Support d’expérience, support de caméra,…..).
Du polystyrène est calée à l’intérieur de la boite pour éviter les chocs entre les caméras et la
matériel et une source de lumière à DEL est fixée sur une des faces latérales.
Pour tester notre dispositif nous avons fait quelques tests au laboratoire en plaçant des
figurines dans la boite et en se la jetant tout en lui donnant un mouvement parabolique. Les
vidéos nous ont permis de mettre en évidence un état d’impesanteur pour tous les objets situés
dans la boite par rapport à la boite.
t=0s
t=0.08s
t=0.16s
t=0.24s
t=0.30s
t=0.46s
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IV.
Expériences Réalisées
a. Définition de la poussée d’Archimède
Expérience préliminaire : détermination de la constante de raideur du ressort utilisé
On mesure la tension du ressort en fonction de son allongement en suspendant des masses
marquées à son extrémité. L’étude des équilibres pour chacune de ces masses permet de
retrouver l’intensité de la tension, l’allongement étant mesuré directement sur le ressort.
T=f(x)
T = 11.905x + 0.0024
3.5
3
T(N)
2.5
2
1.5
1
0.5
0
0
0.05
0.1
0.15
0.2
0.25
0.3
x(m)
Conclusion : La constante de raideur du ressort utilisé par la suite est de 11.9 N.m -1
Mise en évidence qualitative
lo
l0
AIR
EAU
Masse de 128.8g
Masse de 128.8g
Observation : L’allongement du ressort diminue lorsque la masse est plongée dans l’eau
Conclusion : L’eau exerce une force sur la masse dirigée suivant la verticale vers le haut ;
cette force est la poussée d’Archimède : Π
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L’étude de l’équilibre dans le référentiel terrestre de la masse immergée dans l’eau permet
d’écrire : P + T + Π = 0  Π = − T + P = − kx + mg avec x= allongement du ressort
Avec nos mesures dans la situation où le ressort est immergé dans l’eau, on trouve :
X=7,2cm= 0.072m  T= 11,9 * 0,072=0,86N
m=128.8g=0.1288kg  P=0.1288*9.81 = 1.26N
D’où Π = 1.26 − 0.86 = 0.40 N
Cette valeur correspond au poids du volume d’eau qui a été déplacé par l’immersion de la
balle : Pfd = ρ Vd g = 1× 0.041× 9,81 = 0,40 N avec Vd = 41 mL
Un système immergé partiellement ou totalement dans un fluide subit une action mécanique de
ce dernier dirigée suivant la verticale, vers le haut avec une intensité égale au poids du volume
de fluide déplacé
 Comment expliquer l’existence de la poussée d’Archimède ?
La poussée d’Archimède est
exercée par le fluide.
Il faut donc chercher des
interactions entre ce dernier et le
corps immergé. En observant le
système précédent immergé
dans de l’eau, on peut supposer
que l’eau appuie sur ses parois :
l’eau exercent des forces
pressantes sur la totalité des
surfaces.
Les forces pressantes dépendent
de la pression au point considéré
et de la surface et elles
s’expriment sous la forme F=pS.
Forces pressantes exercée
sur la face supérieure
Forces pressantes exercées
sur les faces latérales
Forces pressantes exercées
sur la face inférieure
La résultante des forces pressantes exercées sur notre objet est la somme des forces
pressantes exercées sur la totalité des faces de notre système
Il faut alors connaître les valeurs de pression en chaque point des différentes surfaces. Les
mesures montrent que la pression est d’autant plus grande que la hauteur de liquide situé au
dessus du point de mesure est grande. D’autre part on peut remarquer que la pression
mesurée en des points appartenant à des surfaces horizontales sont à la même pression.
Les forces pressantes exercées sur les parois latérales en des points appartenant à des plans
horizontaux auront forcément même intensité et seront toutes dirigées dans ce plan vers l’axe
de notre objet. Ces forces prises deux à deux en des points diamétralement opposés se
compensent : On peut alors considérer que la résultante des forces pressantes sur la paroi
latérale de notre système est égale au vecteur nul.
La résultante des forces pressantes exercées sur notre système est donc la somme des forces pressantes
exercées sur les faces inférieures et supérieures. Dans notre étude, ces faces appartiennent à des plans
horizontaux, ce qui veut dire que tous les points de ces faces sont à la même pression. Les mesures des
pressions sur les faces supérieure et inférieure nous ont donc permis de déterminer la résultante des
forces de pression :
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Face supérieure
Face inférieure
Psup= 1026hPa
Pinf= 1033hPa
Fsup =Psup.S=50,36N
Finf =Pinf.S=50, 71N
Pression
Force pressante
Comme ces deux forces
s’exercent dans des
directions opposées, la
résultante des forces
pressantes s’écrit :
F=Finf-Fsup=0,35N
Cette force est donc dirigée suivant la verticale vers le haut avec une intensité égale à 0.35N
En considérant une erreur de 1hPa par écart de pression notre résultat est compris entre
0,29N et 0,4N
Est-ce que cette force pressante a un rapport avec la poussée d’Archimède ?
En comparant cette force avec la poussée d’Archimède, on se rend compte que ces deux
forces sont identiques : la poussée d’Archimède correspond à la résultante des forces
pressantes exercées par le fluide sur l’objet immergé.
Pour étudier les effets de la microgravité sur la poussée d’Archimède, nous allons la mesurer
dans notre boite au cours d’une chute.
b. Description du dispositif
Pour mettre en évidence l’absence de poussée
d’Archimède en microgravité, Nous avons construit un
dispositif susceptible d’être embarqué dans notre boite.
Il est constitué d’un tube en plexiglas de 5 cm de
diamètre et de hauteur 25 cm. Ce tube est fermé
hermétiquement aux deux extrémités et il est rempli
d’eau. Un ressort fixé à la partie inférieure du tube d’un
coté. A l’autre extrémité du ressort, une balle de pingpong est accrochée.
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La balle est soumise à 3 forces :
-Son poids P
-La poussée d’Archimède π
-La tension du ressort T
Eau
PA
Le système est à l’équilibre
La première loi de Newton nous
permet d'affirmer que les trois forces
se compensent.
Niveau
A 1g
T
Remarque : Le poids est négligeable
par rapport à la poussée d'Archimède
et à la tension du ressort car la
masse de la balle est beaucoup plus
faible que la masse d’eau déplacée
P
Balle de ping-pong
Ressort
c. Expériences
•
Expérience 1 :
Le dispositif et la caméra sont fixés dans la boite. La lampe est allumée. La boite est
fermée à l’aide de velcro puis lâchée du troisième étage du lycée.
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Observations :
La balle quitte sa position initiale pendant la chute. Elle redescend et on remarque que le ressort reprend sa longueur à
vide.
Conclusion :
La poussée d’Archimède a disparu : elle n’entraîne plus la
balle vers le haut.
 La poussée d’Archimède n’existe pas en microgravité
La poussée d‘Archimède est la résultante des forces de pression. Il est donc possible d’affirmer que la résultante des
forces pressantes au sein d’un fluide au repos est nulle en microgravité. Les forces pressantes qui s’exercent en chaque
point de la balle se compensent : elle doivent toutes avoir
même intensité  La pression doit être la même en chaque
point du fluide au repos
Remarque : Le ressort a repris sa longueur à vide, sa tension est nulle.
La balle n’est soumise à aucune force dans ce référentiel
•
Expérience 2 :
Une bouteille en verre de 250mL d’eau est remplie d’eau au ¾. Un bouchon en liège y
est introduit. Elle est fixée dans le dispositif comme dans l’expérience 1, puis le boite est
lâchée par la fenêtre.
Observations :
La surface de l’eau se déforme et le bouchon est animé d'un mouvement aléatoire
L’évolution suivante montre les observations au cours de la chute
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Conclusion :
Le bouchon n’est plus soumis à la poussée d’Archimède pendant la chute : Elle n’existe plus en
microgravité La pression est la même en chaque point d’un fluide au repos en microgravité
Remarque : Pendant la chute, l’eau monte et tente de recouvrir toute la surface de contact
avec le verre : Ce phénomène est lié aux forces de tension superficielle. En effet en
microgravité les forces de tensions superficielles ne sont plus négligeables par rapport aux
autres forces et nous pouvons observer leurs effets.
Exemples : Lors de la campagne de vols paraboliques nous avons mis en évidence l’existence
de ces forces notamment dans des tubes capillaires. En impesanteur, l’ascension par
capillarité devient très importante. Sur les photo1, 2 et 3 l’eau colorée monte dans les
différents tubes et finit par déborder. Sur les photos 4 et 5 issues des expériences du lycée de
la Réunion, l’eau de l’aquarium couvre les surfaces de ce dernier en impesanteur. La tension
superficielle air verre est prédominante devant la tension air eau et eau air : la surface de
contact air verre diminue sous l’effet de la tension superficielle.
Photo1
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Photo2
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Photo3
14
Photo4
Photo5
V. Comparaison avec les résultats des expériences réalisées en vol parabolique
Au cours de la campagne de vols paraboliques d’avril 2010, nous avons réalisé différentes
expériences concernant la pression au sein des fluides au repos.
Dans une bouteille transparente en PET (50cL) nous avons placé différents corps flottants
(flotteurs de pêche avec différents lests) dans de l'eau colorée. L'étude porte sur le
comportement de ces corps lors des différentes phases du vol parabolique. La bouteille était
fixée sur la plaque de galva constituant le fond du châssis fourni par le CNES.
En phase de vol normal (1g), les flotteurs occupent
une position particulière suivant leur lest
La poussée d’Archimède permet d'expliquer ces
observations
Pendant la parabole de l’avion en phase de
microgravité, les flotteurs n'ont plus de position
clairement définie
La poussée d’Archimède disparaît en micropesanteur.
L’expérience réalisée au laboratoire est en accord avec les observations que nous avons
réalisées au cours de la campagne de vols paraboliques.
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Au cours de la campagne de
vols paraboliques nous avons
montré que les différences de
pression statique au sein des
fluides disparaissaient en
microgravité. La pression en
différents points d’une colonne de
liquide en microgravité est
constante.
100
DP0g (m Pa )
80
60
40
20
hau te ur (m m )
Ce résultat est en accord avec
l’interprétation des expériences
réalisées dans la boite. En effet,
dans ces conditions, la résultante
des forces pressantes sur un objet
immergé est nulle, il n’existe donc
pas de poussée d’Archimède en
microgravité
0
50
1 00
15 0
20 0
2 50
300
35 0
-20
-40
-60
-80
-1 0 0
Conclusion
Au cours de nos recherches et de nos travaux nous avons réussi à créer une zone
d’expérimentation en impesanteur. La boite 0g permet de se placer dans des conditions de
micropesanteur assez satisfaisante.
La limite principale réside dans la durée d’expérimentation qui ne peut excéder 2
secondes
L’intérêt du dispositif est de pouvoir étudier des phénomènes régis par des actions
mécaniques de faible intensité. En effet au laboratoire les poids des systèmes viennent souvent
cacher les effets des forces de plus faible intensité. C’est le cas avec le phénomène de tension
superficielle, mais c’est aussi le cas des forces magnétiques et des forces électriques.
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