La science des fusées, simplement Teach article

Se préparer à un décollage avec des activités simples qui montrent les principes de base de la science de l’espace.

Le terme « science des fusées » est parfois synonyme de « difficile à comprendre ». Il est vrai que la maîtrise des fusées est une activité complexe qui exige intelligence, polyvalence et puissance. Il est néanmoins possible, moyennant quelques simplifications, d’expliquer l’essentiel de cette science à vos élèves.

Cet article présente un ensemble d’activités convenant à des élèves de 8 à 14 ans, et qui peuvent être effectuées dans un atelier durant environ deux heures. Si le temps manque, certaines démonstrations peuvent être supprimées ou reportées sur d’autres leçons. Les activités peuvent être adaptées à des élèves de niveau secondaire, en y ajoutant un peu plus de théorie, et les formules correspondantes. Ces activités sont visibles sur une vidéo^w1.

Activité no. 1 : Lancement d’un ballon fusée

Les fusées sont un exemple parfait pour illustrer les forces et les lois de Newton. Durant le décollage, deux forces agissent sur une fusée : la poussée qui la pousse en avant, et la gravité qui la tire vers le bas. Quand la fusée est en mouvement, le frottement de l’air la freine. La fusée continue à accélérer tant que la force de poussée est supérieure à l’effet combiné de la gravité et de la force de frottement.

Dans cette expérience, un lancement de fusée est illustré en gonflant un ballon et en le lâchant dans l’air. L’air qui s’échappe exerce une force sur le ballon, et le ballon réagit en partant dans la direction opposée à celle de l’air, et avec la même force, comme le dit à la 3ème loi de Newton, (à toute action s’oppose une réaction égale et opposée). Dans la fusée, la force de réaction pousse le ballon vers l’avant (figure 1). On rend la démonstration contrôlable en attachant le ballon à une ficelle tendue.

Matériel

• Un ballon gonflable, le plus long possible
• Une ficelle (longue de 5 m environ)
• Un statif et des pinces
• Une paille ou un chalumeau
• Du papier collant
• Des ciseaux

Mode opératoire

1. Attacher une extrémité de la ficelle à un point d’appui solide fixé à une table.
2. Couper la paille en deux en son milieu, et enfiler les deux moitiés sur le fil. Cette coupure n’est pas nécessaire si vous utilisez un ballon rond, et non un ballon allongé.
3. Attacher l’autre extrémité de la ficelle à un autre point fixe, en s’assurant que la ficelle soit bien tendue.
4. Gonfler le ballon et en pincer l’ouverture sans la nouer.
5. Fixer le ballon sur les fragments de paille en utilisant du scotch (figure 2). C’est plus facile de travailler par paires.
6. Déplacer le ballon à une extrémité de la ficelle. Lâcher le ballon et observer son mouvement le long du fil. Qui arrive à le lancer le plus loin ?

Activité numéro 2 : Faire bouillir de l’eau sous vide

La pression à l’intérieur de la Station Spatiale Internationale (SSI) est la même que sur terre, donc vaut 1 atm. A l’extérieur de la SSI, elle tombe à 10^-12 atm. Si un astronaute devait sortir de la SSI sans combinaison spatiale, la moindre trace d’humidité, comme la salive de sa bouche, ou le liquide de l’œil, se mettrait à bouillir, parce que la température d’ébullition diminue si la pression décroît.  Un liquide bout quand sa pression de vapeur (qui augmente avec la température) est égale à la pression externe. De plus, la très basse pression – proche du vide – chasserait l’air de ses poumons, et l’astronaute perdrait conscience par manque d’oxygène^w2.

On peut observer cet effet en plaçant un verre rempli d’eau dans une chambre sous vide. En faisant le vide dans la chambre, on observe bientôt que l’eau se met à bouillir. Certes, les premières bulles qui se forment sont dues à de l’air dissous dans l’eau. Mais ensuite, c’est bien l’eau elle-même qui se met à bouillir.

Si votre école ne possède pas de chambre à vide, on peut effectuer la même expérience avec une seringue. Voir ci-dessous.

Materiel

• Une seringue en plastique transparent
• Un robinet de seringue  (facultatif)
• Un gros bécher
• De l’eau, à différentes températures

Mode opératoire

1. Placer la seringue dans un bécher rempli d’eau à environ 37°C (température du corps). Retirer le piston pour prélever quelques millilitres d’eau, mais pas d’air.
2. Retirer la seringue du bécher. Boucher la sortie de la seringue avec un doigt (ou installer une valve), et tirer fortement sur le piston. L’eau va se mettre à bouillir (figure 3)
3. Pousser le piston en sens inverse. L’ébullition s’arrête.
4. Répéter cette opération avec de l’eau à différentes températures. Qu’observe-t-on ?

Quand vous essayez de retirer le piston de la seringue, le volume intérieur augmente, ce qui diminue la pression dans la seringue. La pression interne est inférieure à celle de l’extérieur. Si on prend de l’eau plus froide (à température ambiante), sa pression de vapeur sera plus basse, et la pression extérieure devra être réduite davantage pour que l’eau bouille.

Activité numéro 3 : Vaincre la résistance de l’air

Galilée s’était rendu célèbre en montrant que tous les objets tombent à la même vitesse, quelle que soit leur masse. Cette loi est vérifiée s’il n’y a pas de résistance dans l’air, ce qui n’est pas souvent le cas sur Terre. Par contre, sur la Lune, l’astronaute David Scott de la mission Apollo 15 a lâché un marteau et une plume en même temps^w3 et les deux objets ont touché le sol en même temps. Comme la Lune n’a pas d’atmosphère, il n’y a pas de résistance à l’air. Quand on lâche les mêmes objets sur la Terre dans l’air habituel, la plume tombe plus lentement que le marteau, comme si la force de la gravitation était plus grande pour l’objet le plus lourd. Ceci signifie que la force de freinage due à la résistance de l’air affecte davantage la plume que le marteau.

Ce principe peut être facilement démontré avec une chambre à vide. Un bout de papier et une bille de métal peuvent être utilisés comme objet, comme dans notre vidéo^w1.

Mais on peut démontrer cet effet sans avoir de chambre à vide, en employant une pièce de monnaie et du papier, comme expliqué ci-dessous. Et ici, en plus des forces de gravité et de résistance à l’air, il interviendra des considérations de dynamique des fluides.

Matériel

• Pièce de monnaie
• Une feuille de papier
• Des ciseaux

Procedure

1. Découper une rondelle de papier plus petite que la pièce de monnaie (Fig. 5)
2. Placer la rondelle sur la pièce et pincer la pièce entre deux doigts
3. Lâcher la pièce d’une hauteur d’environ 1 mètre. Observer que le papier colle au-dessus de la pièce et qu’ils touchent le sol ensemble.
4. Laisser tomber la pièce et la rondelle séparément, mais en même temps. Observer que la rondelle tombe plus lentement que la pièce.
5. Découper une rondelle de papier plus grande que la pièce.

Quand la pièce tombe, elle chasse l’air devant elle. Si une petite rondelle de papier est placée sur la pièce, l’air devant elle est aussi repoussé de côté. En conséquence, le papier tombe à la même vitesse que la pièce. Mais si la rondelle est plus grande, la pièce ne peut pas repousser tout l’air qui est devant la rondelle, et la chute du papier est ralentie par la résistance de l’air.

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