Doc. 2 : ascension et descente d`un ballon sonde Doc. 1 : ballon

Doc. 2 : ascension et descente d’un ballon sonde
Doc. 1 : ballon-sonde (d’après wikipedia)
Un ballon-sonde est un aérostat utilisé dans les domaines de la météorologie et de l'astronautique. Il s'agit
d'un ballon libre non habité, utilisé pour faire des mesures locales dans l'atmosphère grâce à un certain
nombre d'instruments mis à bord dans une nacelle appelée radiosonde, ainsi que d'un réflecteur radar ou
d'un système de radiolocalisation pour le suivre et donc déterminer la vitesse des vents.
Il en existe de plusieurs types, mais les plus courants sont les ballons-sondes standard gonflés à l'hélium, ils
emportent des charges importantes en haute altitude. Le ballon est gonflé de façon à avoir une vitesse
ascensionnelle d'environ 5 m/s. Il est fermé et en composés élastiques (latex, néoprène ou polyéthylène) ce
qui implique qu'il éclate à des altitudes généralement comprises entre 10 et 35 km. À cause de la pression
très faible qui règne à ces altitudes, l'enveloppe se distend jusqu'à la rupture, son diamètre pouvant
augmenter de 400 %.
Un ballon-sonde constitue ce qu’on appelle une chaîne de vol, composée par :
 Le ballon lui-même, tirant le reste de la chaîne ;
 Un parachute dans la plupart des cas, afin de permettre une descente en douceur ;
 Un transpondeur permettant aux contrôleurs aériens de connaître sa position — ou un réflecteur
radar pour les ballons les plus simples ;
 Une ou plusieurs nacelles, pouvant souvent se détacher à des phases différentes du vol, si nécessaire
chacune avec son parachute et/ou son propre transpondeur. C'est la nacelle qui contient les
expériences.

Le ballon dont le vol est illustré dans le document 2 avait un volume
3
V 2,1m
pour une enveloppe de masse
E
m 390g
et a emporté une chaîne de vol de masse
C
m 1,8kg
. Dans la chaîne de vol, il y avait un
parachute, un réflecteur radar ainsi qu’une nacelle contenant les appareils de mesures. Les frottements de l’air
sont négligés, mais pas la poussée d’Archimède dont l’expression est
A air
Pρ V g  
. Le référentiel d’étude
est le référentiel terrestre supposé galiléen, le système étudié est {ballon + hélium + chaîne de vol} lors de la
montée, uniquement {ballon + chaîne de vol} lors de la retombée. On considérera les systèmes comme
ponctuels pour en simplifier l’étude.
Partie I : ascension du ballon
Le diagramme obtenu a été réalisé par les élèves d’une classe de CM1, il comporte des erreurs et il y manque
beaucoup d’informations, mais pourtant …
1. Que dire du mouvement du ballon lors de son ascension ? Justifier.
2. À quelle altitude le ballon est-il arrivé ?
3. Évaluer la valeur de la poussée d’Archimède subie par le système lors du début de l’ascension (on
considère que le volume d’air déplacé est le volume du ballon) et le poids total du système : est-ce en
accord avec la question 1 ?
Données :
3
air
ρ 1,2kg.m
3
He
ρ 0,179kg.m
2
g 9,81m.s
Partie II : la chute
À l’altitude à laquelle le ballon éclate, l’air est tellement raréfié que les frottements sont négligeables. On
supposera que le système descend verticalement, et on prendra pour altitude de début de la chute
h 36km
.
Au moment où le ballon a éclaté, il était en pleine ascension avec une vitesse
1
0
v 5m.s
, on prend cet
évènement pour origine du temps.
4. Représenter le schéma de la situation (forces, vitesse, etc.), sur lequel apparaîtra un axe de
coordonnées y dont l’origine est au sol et orienté vers le haut.
5. Donner l’expression du poids du système.
6. Montrer que l’accélération subie par le système est égale à
g
(une justification rigoureuse est
attendue).
7. En déduire l’expression de la vitesse en fonction du temps.
8. Déduire, de l’expression de la vitesse, l’équation horaire du mouvement du ballon.
En réalité cette équation n’est pas valable durant toute la descente, car très vite les frottements de l’air ne sont
plus négligeables : on considère qu’il s’écoule
t 30s
avant que les frottements modifient le mouvement du
système.
9. Quelle est l’altitude du système lorsque les frottements deviennent non-négligeables ?
10. Quelle vitesse maximale a-t-il atteinte ?
11. À quoi voit-on, sur le document 2, que les frottements augmentent au cours de la descente ? Argumenter
la réponse.

Le problème des fritures industrielles et même artisanales – en plus du fait que ce sont des aliments très gras –
est qu’elles peuvent contenir des traces d’une espèce chimique très toxique (cancérigène et reprotoxique),
l’acrylamide. Cette espèce apparaît lorsque l’huile de friture a surchauffé notamment, on la retrouve très
fréquemment dans les huiles usagées.
La formule de l’acrylamide est la suivante :
1. Représenter cette molécule sur la copie, puis entourer et nommer les groupes fonctionnels qu’elle
comporte.
2. Les deux hydrogènes en couleur (et en gras) ont-ils le même environnement chimique ? Justifier.
3. Expliquer alors l’allure du spectre RMN obtenu pour cette molécule (nombre de signaux et multiplicité
des signaux) en faisant l’étude complète de la molécule :
 Un singulet à
δ 8,1ppm
;
 Trois triplets à
δ 5,82 ppm
,
δ 6,24 ppm
et
δ 6,32 ppm
;