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TPE
Les Montgolfières
L'air chaud est-il le seul facteur permettant l'ascension d'une montgolfière ?
I. La montgolfière : que se passe-t-il lorsque l’on chauffe l’air contenu dans l’enveloppe ?
La montgolfière est un moyen de transport aérien. Elle est aujourd’hui utilisé par de nombreuses personnes dans un but ludique. C’est un aérostat, c’est-à-dire un aéronef plus léger que l’air. Pour la faire voler, il suffit de gonfler son enveloppe avec de l’air chaud…
A ) La montgolfière (composition, technique de vol, gonflage)
La composition d’une montgolfière :
Une montgolfière est composée de nombreux éléments :
- L’enveloppe est le plus souvent constituée de nylon recouvert de polyuréthane, matériau particulièrement léger - 65 grammes au mètre carré -. Sa base est protégée par un tissu ininflammable appelée jupe.
- Une soupape circulaire se trouve à son sommet auquel elle est fixée par des bandes de textile auto-agrippant - plus communément appelé velcro - : c’est le parachute. Le parachute est directement relié à la nacelle à l’aide d’une corde qui permet au pilote de l’utiliser.Lorsque le parachute est fermé, le ballon est hermétique, au contraire lorsque le pilote l’actionne, il laisse s’échapper l’air chaud permettant à la montgolfière de descendre plus rapidement.
- Le brûleur permet de chauffer l’air, entraînant l’ascension de la montgolfière. Il est alimenté par un tuyau relié au réservoir de propane. Une vanne permet d’actionner le brûleur qui va projeter le propane liquide vers le gicleur lui permettant de s’enflammer au contact de la veilleuse - petite flamme.
- La nacelle est le plus souvent constituée de rotin ou d’osier, matériaux à la fois rigides et néanmoins souples en cas de choc. Elle est aussi recouverte de peau de buffle afin de la protéger lors des contacts avec le sol.
- Il faut également quatre bouteilles contenant le propane. Elles contiennent en moyenne chacun dix-sept kilogrammes de propane et sont sanglées aux quatre coins de la nacelle. Le propane est le carburant idéal pour chauffer l’air de l’enveloppe de par ses propriétés chimiques : sa combustion ne dégage aucune odeur, elle est propre et respectueuse de l’environnement (elle n’émet que de la vapeur d’eau et un peu plus du double de dioxyde de carbone) néanmoins elle émet une grande chaleur de combustion aussi appelée pouvoir calorifique. Le propane est pressurisé à environ 6,5 bar pour être maintenu à l’état liquide dans les bouteilles. Une fois libéré des bouteilles, le propane dont la température d’ébullition est de - 42 °C, se change immédiatement en gaz pour ensuite brûler avec le dioxygène de l’air. La montgolfière comporte également plusieurs instruments indispensables au vol : - une radio VHF afin de rester en contact avec les hommes au sol ;
- le variomètre qui indique les changements d’altitude ;
- l’altimètre qui mesure la distance par rapport au sol ;
- la sonde qui permet de connaître la température de l’air à l’intérieur du ballon.
Le gonflage du ballon :
Le gonflage du ballon nécessite quatre personnes, le pilote compris. Dans un premier temps, il faut étendre l’enveloppe sur une vaste surface puis la fixer à la nacelle de la montgolfière. Le gonflage comprend plusieurs étapes.
Tout d’abord, on utilise un ventilateur qui projette de l’air - à température ambiante - dans l’enveloppe. Puis le brûleur est utilisé pour terminer le gonflage : l’enveloppe se dresse peu à peu afin d’atteindre une position verticale qui lui permettra de décoller.
Lorsque celle-ci a atteint cette position, le ballon sera prêt à décoller, ayant atteint sa position d’équilibre avec l’apport d’une petite quantité d’air chaud : ce moment est appelé phase de pré-vol, et dure une quinzaine de minutes.
Technique de vol :
La montgolfière se déplace de manière horizontale. Cette translation est toujours assurée par les vents que subit la montgolfière. Elle se déplace également de manière verticale. L’élévation de la montgolfière est contrôlée par le pilote à l’aide du brûleur (pour monter) et de la soupape (pour descendre).Le pilote dispose d’instruments tels que l’altimètre -qui mesure la distance par rapport au sol-, une sonde mesurant la température à l’intérieur de l’enveloppe ainsi que d’un variomètre -qui calcule les variations d’altitude-.
Les données transmises par ses instruments lui permettent de tenir compte des mouvements dynamiques et verticaux dans l'air. Pour monter, le pilote chauffera l'enveloppe à l’aide du brûleur. Avec la combustion du propane, la montgolfière prendra de l’altitude. Pour descendre, le pilote aura tendance à arrêter de chauffer, voire à ouvrir la soupape, afin de faire baisser la température de l'air contenue dans l’enveloppe.
Il peut maîtriser l’altitude et la stabilité de la montgolfière, mais ne peut en revanche pas choisir sa direction ; il faut donc au moins une personne au sol pour suivre la montgolfière.
Le vol en montgolfière doit s’effectuer dans de bonnes conditions météorologiques pour ainsi dire calmes - conditions anticycloniques, pas de mouvements verticaux, vent faible entre 9 et 18 kilomètres par heure -.
En hiver, le vol peut avoir lieu à toute heure de la journée. En été, la température de l'air étant plus élevée, le vol doit avoir lieu le matin ou en début de soirée. Les pilotes consultent donc les bulletins météorologiques fiables 48 heures auparavant.
Les vols en montgolfière durent en moyenne une heure mais la durée dépend également de la masse des passagers, de la quantité de propane embarquée, de la température et de l'altitude à laquelle le vol s’effectue. L’altitude des vols est comprise entre la cime des arbres et le plancher des nuages c'est-à-dire cinq cents mètres d'altitude - néanmoins, le record d’altitude pour un vol effectué en montgolfière est de 21 027 m en Inde, le 16 novembre 2005 -.
B ) Que se passe-t-il dans le ballon lorsque l’air à l'intérieur chauffe ?
Chauffer l’air dans l’enveloppe d’une montgolfière à l’aide d’un brûleur est une étape primordiale pour voler en montgolfière. Nous nous demandons donc ce qu’il se passe lorsque l’on chauffe de l’air.
Une histoire de densité :
L’air, constituant de l’atmosphère terrestre, est un fluide gazeux composé. L’air peut être plus ou moins chaud. Plus l’air est chauffé, moins il est dense. Ainsi l’air chaud est moins dense que l’air froid. On définit la densité d’un corps comme étant est la quantité de matière qu’il contient dans un volume donné. Nous définissons plus concrètement ce principe de densité à la fin de l'expérience n°1, c’est une affaire de molécules d’air...
Le phénomène de convection :
La convection est un mode de transfert qui entraîne un déplacement de matière et d’énergie dans un milieu. La matière est déplacée par au moins un fluide. Par exemple lorsque l’on fait bouillir de l’eau - qui est ici le fluide -, l’eau se met spontanément en mouvement. Les groupes de particules d’eau proches du fond de la casserole sont chauffés, se dilatent alors et deviennent donc moins denses et remontent à la surface. Puis, arrivées à la surface de la casserole, elles sont refroidies par le contact de la surface du fluide avec un milieu moins chaud et se compriment, elles gagnent donc en densité et replongent. Ce phénomène physique est très commun. Il se produit dans de nombreux systèmes - par exemple : casserole, atmosphère, manteau terrestre, étoile - sous des formes diverses. Dans la montgolfière, l'air est chauffé par un brûleur qui provoque des mouvements de convection comme dans une casserole. L'air chauffé par le brûleur se concentre d’abord dans le bas de l'enveloppe. Rapidement, il ''monte'' et remplace l'air froid - à la surface -. Ainsi, un cycle s’engage, remplaçant en permanence l'air froid par de l'air chaud. L’air contenu dans l’enveloppe de la montgolfière reste donc toujours être chaud.
Nous avons réalisé une première expérience afin de mieux comprendre ce phénomène :
Le but de l'expérience :
Cette expérience, effectuée dans le laboratoire de l'École Alsacienne a pour but de montrer les mouvements de convection qui s’opèrent dans l'enveloppe d'une montgolfière.
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Matériel disponible :
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Afin de réaliser cette expérience, nous avions à notre disposition :
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un cristallisoir
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du colorant alimentaire rouge
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de l’eau
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d'un réchaud permettant de chauffer la solution
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d’un tube à essai ainsi que son bouchon
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un repose tube à essai
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des gants isolants
Protocole expérimental :
manipulation 1 :
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Préalablement, on remplit le cristallisoir avec de l'eau posé sur le réchaud
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On introduit le colorant alimentaire rouge au fond du cristallisoir à l’aide de la pipette
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On attend quelques minutes et observons son comportement
manipulation 2 :
- on remplit le récipient avec de l’eau puis on le pose sur le réchaud ;
- on met a chauffer l’eau avec le réchaud ;
- on prélève du colorant rouge à l’aide de la pipette ;
- une fois l’eau arrivée à une température élevée (minimum 40°C) on introduit le colorant à température ambiante avec la pipette graduée au fond du cristallisoir ;
- on observe le comportement du colorant rouge ;
manipulation 3 :
- on place le colorant rouge dans le tube à essai au congélateur afin qu’il atteigne une température basse (5-10°C) ;
- on remplit le récipient avec de l’eau posé sur le réchaud ;
- on prélève du colorant rouge avec la pipette après avoir préalablement sorti du congélateur le tube à essai ;
- on introduit le colorant à la surface de l’eau contenue dans le cristallisoir ;
Observation :
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avec colorant à température ambiante et eau chauffée : le colorant placé au fond du bêcher remonte à la surface de l’eau.
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avec colorant à température ambiante et eau froide : le colorant placé au fond du cristallisoir reste au fond.
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avec colorant refroidi au congélateur et eau à température ambiante : le colorant placé à la surface de l’eau redescend au fond du cristallisoir.
Interprétation :
Dans l'expérience que nous venons de réaliser, nous observons qu’il se produit un cycle de chauffe continu et circulaire étant les caractéristique d’un transfert thermique par convection. Donc il se produit dans cette expérience, le même phénomène que celui présent dans une montgolfière : la convection.
La dilatation de l’air :
Nous avons réalisé une expérience permettant d’expliquer ce phénomène :
Protocole expérimental :
Dans cette première étape, nous avons réalisé les préparatifs de l'expérience, qui sont :
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remplir une casserole avec de l’eau
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mettre l’eau à bouillir ou chauffer, atteindre l’ébullition n’est pas nécessaire (mettre la casserole sur le feu et allumer le feu)
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ajuster le ballon de baudruche sur l’embout de la bouteille
Protocole :
Dans cette seconde étape, nous avons inséré la bouteille attaché au ballon dans la casserole contenant de l’eau bouillante.
Observation :
Le ballon se soulève petit à petit jusqu'à devenir (dans la suite de l’étape 2) entièrement gonflé et se redresser entièrement. On en déduit que le contacte entre provoque le gonflement du ballon.
Protocole :
Dans cette dernière étape, nous plaçons la bouteille (toujours attachée au ballon) dans un récipient en verre contenant de l’eau froide.
Observations :
Le ballon qui était gonflé se dégonfle progressivement, jusqu'à devenir totalement dégonflé (comme à l’état initial). C’est donc le contact entre la bouteille et l’eau froide qui fait que le ballon se dégonfle.
Nous comparons notre ballon (qui garde le même volume) lorsque la bouteille est plongée sous l’eau froide (air froid) et sous l’eau chaude (air chaud) :
Quand l’air est froid, les molécules d’air dans le ballon occupent moins d’espace, elles sont moins éloignées les unes des autres, que lorsque l’air est chaud. L’expérience nous a permis de clairement identifier deux volumes différents lorsqu’on chauffe et refroidit l’air contenu dans le ballon - l’air chaud à un plus grand volume que l’air froid à la même pression -. Dans l’expérience, la pression augmente, car le ballon est hermétique. L’augmentation du volume d’air entraîne une augmentation de la pression et la masse d’air contenue dans le ballon ne varie pas. Donc, la masse volumique de l’air varie. En effet, lorsque l’air du ballon est chaud son volume augmente entraînant une baisse de sa masse volumique. Nous pouvons donc en déduire que la masse volumique de l’air chaud est moins élevée que celle de l’air froid. Autrement dit, l’air chaud est moins dense. Cette variation de densité définit une flottabilité d’un corps dans un fluide, qu’on explique grâce au principe d’Archimède.
Interprétation générale de l'expérience :
Lorsque nous chauffons l’air du ballon, nous observons une variation de son volume : il augmente. Cela est dû au fait que la chaleur a un impact sur les molécules d’air : sous son effet, elles s’écartent et repoussent donc l’enveloppe du ballon. Le même principe est appliqué à la montgolfière mais la masse d’air contenu dans le ballon diminue. En effet, lorsque la montgolfière atteint son volume maximal, en suivant les mouvements de convection dans le ballon, des molécules d’air s’échappent par l’ouverture de la montgolfière. Cette délétion de molécules traduit une diminution de la masse d’air enfermée dans le ballon. Donc la masse volumique diminue. Cette ouverture de la montgolfière permet à l’excès d’air chaud de sortir par le bas du ballon ou par le haut - soupape actionnée par le pilote -, le défaut d’air rentre alors par le bas. La pression intérieure se stabilise donc jusqu’à être égale à la pression extérieure. Nous pouvons calculer ces variations grâce à une fonction reliant masse volumique et température.