Cinématique d'atterrissage Falcon 9
Analyse cinématique de la vitesse de descente d’une fusée Falcon 9 lors d’un atterrissage contrôlé
Description détaillée
Quel est le programme d'atterrissage d'une fusée SpaceX ? A l'aide du module de Cinématique, l'élève analyse le mouvement de descente d'une fusée Falcon 9 sur une barge en pleine mer. Il constate que, sur la phase filmée, la vitesse de descente de la fusée est approximativement constante. Pourquoi un tel objectif de descente ? Est-ce plus efficace ? Le module de Cinématique de FizziQ permet de pointer la position de la fusée image par image sur la vidéo et d'en déduire sa vitesse, valeurs consignées dans le cahier d'expérience.
Objectifs pédagogiques
- Analyser le mouvement d’un objet réel à partir d’une vidéo
- Mesurer une vitesse à partir de positions successives
- Interpréter un graphique de vitesse en fonction du temps
- Comprendre la notion de vitesse contrôlée dans un système technique
- Relier des observations expérimentales à une stratégie d’ingénierie
Concepts scientifiques
Instruments et capteurs
Instruments scientifiques
- Module d'analyse vidéo (cinématique)
Fonctionnalités FizziQ
- Cahier d'expérience — Consigner l'hypothèse initiale, la capture du pointage, les graphiques de position et de vitesse, puis les conclusions avant de partager le cahier.
- Bibliothèque de vidéos (carte Internet) — Charger la vidéo de l'atterrissage de la Falcon 9 en collant le lien fourni sur la carte FizziQ dans l'onglet Internet du module Cinématique.
Matériel nécessaire
- Smartphone ou tablette avec l'application FizziQ
- Vidéo de l'atterrissage d'une fusée Falcon 9 disponible via le lien de la carte FizziQ
- Information sur la taille du premier étage d'une Falcon 9 : environ 45 mètres avec l'interétage (attention : 70 m est la hauteur de la fusée complète avec sa coiffe, mais seul le premier étage revient atterrir)
- Cahier d'expériences FizziQ
- Note : le protocole reste adaptable à tout autre outil d'analyse vidéo comparable.
Protocole expérimental
Avant de commencer, fais une hypothèse : selon toi, comment évolue la vitesse d'une fusée Falcon 9 pendant sa descente finale (elle ralentit régulièrement ? elle descend à vitesse constante ? autre chose ?) ? Note ta réponse dans ton cahier d'expériences.
Dans l’onglet Outils, sélectionne la Cinématique puis charge la vidéo SpaceX en copiant le lien que tu trouves à partir de la carte FizziQ, puis en le collant dans la carte Internet
Observe la vidéo en bougeant le curseur, quelle est cette séquence ?
Pour déterminer l'échelle, trouve sur internet la taille du premier étage d'une Falcon 9. Attention : la hauteur de 70 m souvent citée est celle de la fusée complète avec sa coiffe ; l'étage qui atterrit, avec l'interétage qui le surmonte, mesure environ 45 m
En utilisant le premier étage comme règle, place l'origine et l'extrémité de la règle sur l'image puis entre sa taille (environ 45 m)
Dans l’onglet Pointage, change l’intervalle à 300 ms puis positionne les différents points du mouvement de la fusée
Ajoute la photo du pointage à ton cahier d’expériences
Dans Résultats, calcule la position et la vitesse et ajoute-les à ton cahier d'expériences
Dans le cahier, trace le graphique des vitesses. Quel est selon toi l’objectif de vitesse qu’a programmé le constructeur ?
Si la vitesse est constante, quelle est la forme de la courbe de position en fonction du temps ?
Vérifie ton intuition en étudiant le graphique de la position de la fusée.
Ce programme de descente te paraît-il efficace ? Pourquoi ?
Ajoute ces données à ton cahier d'expériences avec tes hypothèses et conclusions, puis partage-le !
Résultats attendus
La trajectoire de la fusée apparaît rectiligne et verticale lors de la phase finale de descente. Le graphique de vitesse montre une zone où la vitesse reste approximativement constante. La position varie de manière régulière au cours du temps durant cette phase. Le graphique de position présente une droite lorsque la vitesse est constante. De petites irrégularités peuvent apparaître en raison des limites de précision du pointage ou de la qualité de la vidéo.
Questions scientifiques possibles
- Pourquoi est-il important de contrôler précisément la vitesse d’une fusée lors de son atterrissage ?
- Que se passerait-il si la fusée descendait trop rapidement ?
- Pourquoi une vitesse constante peut-elle faciliter le contrôle de la trajectoire ?
- Comment les moteurs permettent-ils de compenser le poids de la fusée ?
- Quels facteurs peuvent perturber la précision des mesures dans la vidéo ?
Explications scientifiques
L'atterrissage vertical contrôlé d'un premier étage de fusée Falcon 9 représente une prouesse technologique majeure de SpaceX. Ce processus implique un contrôle précis de la trajectoire et de la vitesse pour minimiser la consommation de carburant tout en assurant un atterrissage en douceur. L'analyse cinématique révèle généralement un profil de descente en plusieurs phases: 1) Une phase de rentrée atmosphérique à haute vitesse, avec utilisation de grilles aérodynamiques (grid fins) pour orienter et stabiliser la fusée ; 2) Une phase de freinage de rentrée atmosphérique (entry burn) avec rallumage de 3 des 9 moteurs Merlin ; 3) Une phase d'atterrissage (landing burn), généralement sur un seul moteur, qui annule presque toute la vitesse dans les dernières secondes. Sur l'extrait vidéo, on observe une phase de descente à vitesse quasi constante, de l'ordre de quelques mètres par seconde, suivie d'un contact au sol à faible vitesse (ordre du mètre par seconde). Un détail d'ingénierie éclaire cette manœuvre : même au minimum de sa poussée (environ 40 % de la poussée nominale), un moteur Merlin pousse plus fort que le poids de l'étage presque vide. La fusée ne peut donc pas rester en vol stationnaire : elle doit déclencher son freinage au bon moment pour que la vitesse s'annule juste au contact du sol. Ce freinage tardif et bref minimise aussi la consommation de carburant, car il réduit le temps pendant lequel les moteurs « luttent » contre le poids. Sur le graphique de vitesse, cela se traduit par un plateau plutôt qu'une diminution continue, et sur le graphique de position, par une droite de pente constante plutôt qu'une courbe parabolique. L'outil cinématique de FizziQ permet de quantifier précisément ces phases et d'apprécier l'ingéniosité du programme d'atterrissage. Cette technique a révolutionné le domaine spatial en rendant possible la réutilisation des lanceurs, réduisant ainsi considérablement le coût des mises en orbite.
Pour aller plus loin : la page Wikipédia « Falcon 9 » présente les caractéristiques du lanceur et l'historique des atterrissages, et la fiche officielle SpaceX donne les dimensions de référence utiles pour l'étalonnage de la vidéo.
Extensions possibles
- Étudier une autre vidéo d’atterrissage spatial pour comparer les profils de vitesse.
- Comparer une descente contrôlée avec une chute libre simulée.
- Étudier la phase de remontée d’une fusée après le décollage.
- Analyser une vidéo montrant un autre système technique utilisant un freinage progressif.
- Modifier l’intervalle de temps entre les pointages pour observer son influence sur la précision.
Questions fréquentes
Qu'est-ce que le mouvement à vitesse contrôlée ?
Un mouvement à vitesse contrôlée est un mouvement dont la vitesse est régulée activement par un système (ici, la poussée des moteurs et les grilles aérodynamiques), au lieu d'être uniquement subie sous l'effet du poids et des frottements. Sur un graphique v(t), une phase à vitesse contrôlée constante apparaît comme un plateau.
Comment fonctionne l'analyse cinématique par pointage vidéo dans FizziQ ?
Le module Cinématique de FizziQ permet de pointer, image par image, la position d'un objet sur une vidéo. Après étalonnage de l'échelle à l'aide d'un objet de taille connue (ici le premier étage de la fusée), FizziQ calcule les positions puis les vitesses successives, que l'élève peut exporter dans son cahier d'expériences pour tracer les graphiques x(t) et v(t).
Comment intégrer cette activité dans un cours de physique au lycée ?
Cette activité s'inscrit dans le programme de cinématique 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.