Vitesse ascensionnelle en vol
Un avion grimpe-t-il plus vite qu'un ascenseur ?
Description détaillée
L'ascenseur de la Shanghai Tower est l'un des plus rapides au monde, avec une vitesse de 20,5 m/s. En utilisant l'altimètre de FizziQ, on estime la vitesse ascensionnelle d'un avion de ligne et on détermine si cette vitesse est supérieure à celle de l'ascenseur de la Shanghai Tower. Le smartphone équipé de FizziQ enregistre en continu l'altitude GPS pendant la montée et permet de consigner l'hypothèse de départ ainsi que les conclusions dans son cahier d'expériences intégré.
Objectifs pédagogiques
- Mesurer l’altitude en fonction du temps à l’aide d’un capteur GPS
- Calculer une vitesse verticale moyenne à partir de données expérimentales
- Comparer deux vitesses réelles issues de systèmes différents
- Comprendre les facteurs physiques influençant la montée d’un avion
- Interpréter des graphiques altitude en fonction du temps
Concepts scientifiques
Instruments et capteurs
Instruments scientifiques
- Altimètre
Capteurs
- GPS
Fonctionnalités FizziQ
- Cahier d'expériences — Utilisé pour noter l'hypothèse initiale sur la vitesse ascensionnelle avant le vol, puis les conclusions après comparaison avec l'ascenseur de la Shanghai Tower.
Matériel nécessaire
- Smartphone avec l'application FizziQ (mesure de l'altitude GPS)
- Un vol en avion
- Note : le protocole reste adaptable à tout autre outil de mesure GPS comparable.
Protocole expérimental
Remarque préalable : la réglementation impose de mettre le smartphone en mode avion, mais le GPS est un simple récepteur et fonctionne dans ce mode sur la plupart des appareils. Place-toi près du hublot pour bien capter les satellites.
Avant le décollage, fais une hypothèse : d'après toi, qui monte le plus vite, un avion de ligne ou l'ascenseur de la Shanghai Tower (20,5 m/s) ? Note ta réponse dans ton cahier d'expériences.
Dans le menu Mesures de FizziQ, sélectionne l'Altitude (GPS). Vérifie que la mesure s'affiche avant le décollage.
Dès le début de la montée, lance l'enregistrement de l'altitude pendant quelques minutes.
Arrête l'enregistrement et observe le graphique altitude en fonction du temps. Quelle est sa forme ? La montée te semble-t-elle régulière ?
Choisis deux instants t₁ et t₂ sur une portion à peu près rectiligne du graphique et relève les altitudes correspondantes. Calcule la vitesse verticale moyenne : v = (z₂ − z₁)/(t₂ − t₁).
Compare ta valeur à celle de l'ascenseur de la Shanghai Tower (20,5 m/s). Ton hypothèse de départ était-elle correcte ?
Convertis ta valeur en km/h et en pieds par minute (1 m/s ≈ 197 pieds/minute), l'unité utilisée par les pilotes. Note tes conclusions dans ton cahier d'expériences.
Résultats attendus
Le graphique altitude en fonction du temps montre une augmentation progressive de l’altitude pendant la phase de montée. La pente du graphique correspond à la vitesse verticale moyenne de l’avion. Les valeurs obtenues se situent généralement entre 7 et 10 m/s pour un avion de ligne, avec parfois des valeurs atteignant 15 à 18 m/s en début de montée. La comparaison montre que certains ascenseurs très rapides peuvent atteindre des vitesses verticales comparables ou supérieures à celles d’un avion. Des fluctuations peuvent apparaître dans les mesures en raison de la précision limitée du GPS ou des variations de signal.
Questions scientifiques possibles
- Pourquoi la vitesse verticale d’un avion n’est-elle pas constante pendant toute la montée ?
- Quels paramètres influencent la vitesse de montée d’un avion ?
- Pourquoi un ascenseur peut-il parfois monter plus vite qu’un avion ?
- Comment la précision du GPS influence-t-elle la qualité des mesures ?
- Quelle différence existe-t-il entre vitesse instantanée et vitesse moyenne ?
Explications scientifiques
La vitesse ascensionnelle d'un avion de ligne en phase de montée initiale est généralement comprise entre 7 et 10 m/s (environ 1 400 à 2 000 pieds/minute), pouvant parfois atteindre 15 à 18 m/s. Cette vitesse est déterminée par des facteurs comme la poussée des moteurs, la portance des ailes, la masse de l'appareil et les conditions atmosphériques. À titre de comparaison, l'ascenseur de la Shanghai Tower atteint 20,5 m/s (environ 74 km/h), ce qui en fait l'un des deux plus rapides du monde, en compétition avec celui du CTF Finance Centre de Canton (environ 20 à 21 m/s selon les essais). La différence fondamentale entre ces deux systèmes réside dans leur fonctionnement : l'ascenseur utilise des moteurs électriques et des contrepoids, tandis que l'avion exploite la portance aérodynamique et la poussée de ses réacteurs. Un aspect intéressant concerne la pression : la pression atmosphérique diminue avec l'altitude (environ −1 hPa tous les 8,5 m près du sol). Dans un ascenseur, la cabine n'est pas étanche : la pression y suit celle de l'air extérieur, et la montée très rapide de la Shanghai Tower (près de 580 m) provoque une baisse d'environ 65 hPa, sensible aux oreilles — les constructeurs installent d'ailleurs des dispositifs de régulation de pression pour le confort. Dans un avion, la cabine est pressurisée : la pression y diminue aussi pendant la montée, mais de façon contrôlée, pour rester équivalente à une altitude d'environ 2 000 à 2 400 m en croisière.
Pour aller plus loin : Futura Sciences explique pourquoi la vitesse des ascenseurs est limitée par la physiologie humaine ; l'article Wikipédia Taux de montée présente les ordres de grandeur de la vitesse ascensionnelle des aéronefs et l'unité « pieds par minute » utilisée en aéronautique.
Extensions possibles
- Réaliser la même expérience dans un ascenseur d'immeuble pour comparer les résultats.
- Étudier la descente de l'avion et comparer la vitesse de descente à la vitesse de montée.
- Utiliser un altimètre basé sur la pression atmosphérique si disponible.
- Comparer plusieurs vols réalisés dans des conditions différentes.
- Convertir les vitesses obtenues en km/h ou en pieds par minute.
- Enregistrer simultanément l'accélération verticale avec l'accéléromètre : en montée stabilisée, elle reste proche de 1 g car la vitesse verticale est quasi constante. Attention : l'accéléromètre mesure la force de contact rapportée au poids, pas la vitesse — seul le graphique d'altitude permet de mesurer la vitesse ascensionnelle.
Questions fréquentes
Qu'est-ce que la vitesse verticale ?
La vitesse verticale (ou vitesse ascensionnelle) est la composante de la vitesse dirigée vers le haut : elle mesure de combien de mètres l'altitude augmente chaque seconde. On la calcule à partir d'un graphique altitude-temps en prenant la pente : v = Δz/Δt. Pour un avion de ligne en montée, elle vaut typiquement 7 à 10 m/s ; les pilotes l'expriment en pieds par minute (1 m/s ≈ 197 ft/min).
Comment FizziQ exploite-t-il le GPS du smartphone ?
FizziQ utilise le GPS pour mesurer la position, la vitesse et l'altitude en temps réel. Ces données sont enregistrées et affichées sous forme de graphiques temporels ou de trajectoires, idéales pour étudier les mouvements sur de grandes distances.
Comment intégrer cette activité dans un cours de physique au lycée ?
Cette activité s'inscrit dans le programme de mécanique du lycée. Elle peut être réalisée en TP (1h), en classe inversée ou à la maison. FizziQ permet un travail en autonomie avec un simple smartphone.
Prêt à commencer ?
Téléchargez FizziQ et lancez cette activité avec vos élèves.