7 expériences avec un smartphone ou une tablette pour comprendre les voyages dans l'espace

Sophie Adenot flotte dans l'ISS depuis le 14 février 2026. Artémis II vient de ramener quatre astronautes d'un survol historique de la Lune le 10 avril. L'exploration spatiale n'a jamais été aussi présente dans l'actualité, et les questions qu'elle soulève (comment se maintenir en orbite ? pourquoi flotte-t-on dans l'espace ? comment freiner pour se poser sur la Lune ?) sont au cœur des programmes de physique du collège et du lycée. Dans cet article, nous proposons sept expériences réalisables avec un smartphone, une tablette ou un ordinateur, qui permettent de comprendre la physique des voyages spatiaux. Elles nous emmèneront en orbite autour de la Terre, au cœur d'une centrifugeuse, sur la Lune et même aux confins du système solaire. Êtes-vous prêts ?

Table des matières :

L'espace en classe - La préparation au voyage - Flotter dans l'espace - L'atterrissage d'une fusée - Mettre un satellite en orbite - Les lois de Kepler et le système solaire - L'injection trans-lunaire - La fronde gravitationnelle - Conclusion et bibliographie

L'espace en classe

L'année 2026 est une année exceptionnelle pour le spatial français et mondial. Le 13 février, Sophie Adenot a décollé de Cap Canaveral à bord d'une capsule Crew Dragon de SpaceX pour rejoindre la Station spatiale internationale, où elle mène la mission Epsilon pendant huit à neuf mois. Pilote d'essai, colonel de l'Armée de l'Air et de l'Espace, elle est la deuxième Française à séjourner dans l'ISS, vingt-cinq ans après Claudie Haigneré. À bord, elle participe à plus de 200 expériences scientifiques, dont sept développées spécifiquement par le CNES pour sa mission, couvrant la physiologie humaine, la recherche climatique et la préparation des futures explorations lunaires.

Quelques semaines plus tard, le 1er avril 2026, la NASA a lancé Artémis II, la première mission habitée vers la Lune depuis Apollo 17 en 1972. Quatre astronautes (Reid Wiseman, Victor Glover, Christina Koch et le Canadien Jeremy Hansen) ont survolé la face cachée de la Lune à bord du vaisseau Orion, propulsé par le lanceur super-lourd SLS. Après un périple de dix jours et plus de 1,1 million de kilomètres parcourus, l'équipage a amerri le 10 avril au large de San Diego. La suite du programme est déjà tracée : Artémis III en 2027 testera les rendez-vous orbitaux avec des atterrisseurs commerciaux, avant qu'Artémis IV ne ramène des astronautes sur le sol lunaire en 2028.

Comment profiter de cet engouement pour faire de la physique en classe ? Les phénomènes physiques qui gouvernent les voyages spatiaux, comme la gravitation, l'accélération centripète ou la mécanique orbitale, sont en fait à la portée de l'expérimentation. Tout le monde a dans sa poche un véritable laboratoire de physique : un smartphone, équipé d'accéléromètres, de gyroscopes et de magnétomètres. Des applications gratuites comme FizziQ, Phyphox ou Physics Toolbox permettent d'accéder facilement à ces capteurs, d'enregistrer les données et de les analyser sous forme de graphiques. Pour l'analyse vidéo de mouvement, des outils comme le module Cinématique de FizziQ ou Tracker offrent la possibilité de décomposer image par image le mouvement d'un objet. Enfin, pour la mécanique orbitale, des simulateurs en ligne comme le module Orbites et Gravitation de FizziQ Web [1] permettent de modéliser les trajectoires des planètes et des satellites directement dans un navigateur.

Dans les sept expériences qui suivent, nous utiliserons tour à tour les capteurs du smartphone, l'analyse vidéo et la simulation numérique. Ce parcours forme une progression logique qui suit les étapes d'un voyage spatial : l'impesanteur et l'entraînement de l'astronaute, le décollage et le retour de la fusée, puis la mécanique orbitale qui permet de naviguer dans l'espace.

1. La préparation au voyage

Thème : Accélération centripète et forces g | Niveau : 3e – Lycée | Capteur : Accéléromètre | Durée : 30 min

Avant de flotter dans l'ISS, Sophie Adenot a dû supporter les forces considérables du décollage. Lors du lancement du Falcon 9 le 13 février, elle a subi jusqu'à 3 à 4 g, c'est-à-dire que son corps pesait trois à quatre fois son poids normal. Pour les astronautes d'Artémis II, propulsés par l'énorme SLS et ses deux boosters à poudre, les conditions furent encore plus intenses. Comment le corps humain supporte-t-il de telles forces ?

Les astronautes s'entraînent en centrifugeuse. Sophie Adenot, ancienne pilote d'essai sur hélicoptères, connaissait déjà bien les forces g. En classe, on peut comprendre ces effets très simplement : il suffit de tenir un smartphone à bout de bras et de tourner sur soi-même tout en enregistrant l'accélération. Cette expérience accessible permet déjà d'observer comment l'accélération augmente avec la vitesse de rotation, et d'introduire les lois du mouvement circulaire uniforme.

Pour aller plus loin et mesurer avec plus de précision, on peut utiliser un outil inattendu : une essoreuse à salade. On place le smartphone dans le panier et on enregistre l'accélération absolue tout en tournant la manivelle à différentes vitesses. On vérifie alors expérimentalement la relation a = ω²·R, qui lie l'accélération centripète à la vitesse angulaire et au rayon de rotation.

Dans une essoreuse typique, le rayon est d'environ 10 cm. Une rotation vigoureuse donne une vitesse angulaire d'environ 10 rad/s, soit une accélération centripète d'environ 10 m/s², à peine 1 g. Pour atteindre les 3 g du décollage d'un Falcon 9, il faudrait tourner 1,7 fois plus vite. Pour les 8 g d'une centrifugeuse d'entraînement militaire, presque 3 fois plus vite. L'être humain peut résister brièvement à environ 9 g avant de perdre connaissance. Au-delà, le sang ne parvient plus à irriguer le cerveau et la vision se trouble (phénomène de « grey-out » puis « black-out »).

On peut compléter cette activité par la simulation numérique Centrifugeuse de FizziQ Web, qui permet de visualiser le facteur g pour des configurations inaccessibles en classe : grands rayons, vitesses de rotation élevées, et le lien avec la gravité artificielle envisagée pour les futurs vols vers Mars.

➡️ Activités : Astronaute et essoreuse et Accélération centripète | Simulation : Centrifugeuse

2. Flotter dans l'espace

Thème : Apesanteur et chute libre | Niveau : 3e – Lycée | Capteur : Accéléromètre | Durée : 30 min

Depuis le 14 février, Sophie Adenot vit en impesanteur dans l'ISS. Les images de la mission Epsilon la montrent flottant dans les modules de la station, manipulant des instruments qui semblent défier la gravité. Mais pourquoi flotte-t-elle ? Est-ce parce qu'il n'y a pas de gravité dans l'espace ? La réponse, contre-intuitive, est que la gravité à l'altitude de l'ISS (environ 400 km) vaut encore 8,7 m/s², soit 89 % de sa valeur au sol. Sophie Adenot flotte parce que la station et tout ce qu'elle contient sont en chute libre permanente autour de la Terre.

Pour comprendre ce phénomène, pas besoin d'aller dans l'espace. Il suffit d'un smartphone et d'une application capable de lire l'accéléromètre (FizziQ, Phyphox, Physics Toolbox…). Posons le smartphone sur une table et ouvrons l'instrument de mesure de l'accélération absolue. La valeur affichée est d'environ 9,80 m/s². Le smartphone est au repos, mais l'accéléromètre détecte la réaction de la table qui s'oppose à la gravité. Si on change l'orientation du téléphone, la valeur reste constante : c'est la norme du vecteur gravitationnel.

Maintenant, plaçons un matelas épais au sol, lançons l'enregistrement et faisons décrire une petite parabole au smartphone pour qu'il retombe doucement sur le matelas (30 à 50 cm suffisent, attention à la casse !). En analysant l'enregistrement, on constate que pendant toute la phase en l'air, l'accélération mesurée est nulle. Le graphique montre trois phases nettes : le lancer (accélération supérieure à g, la main pousse le téléphone), le vol libre (accélération proche de zéro) et l'impact sur le matelas (pic d'accélération). La durée de la phase d'impesanteur peut être mesurée : pour un lancer de 50 cm, elle est d'environ 0,64 seconde, conformément à la formule t = 2√(2h/g). Dans un avion Zéro G utilisé pour l'entraînement des astronautes, la parabole dure environ 22 secondes.

L'impesanteur n'est donc pas l'absence de gravité, c'est l'absence de force de réaction. Ce résultat est une illustration du principe d'équivalence d'Einstein : à l'intérieur d'un système fermé, il est impossible de distinguer la chute libre de l'absence de gravité. C'est cette idée, formulée en 1907, qui conduira Einstein à la théorie de la relativité générale. Pour approfondir le sujet, on peut consulter notre article consacré à sept expériences sur la gravité [2].

➡️ Activité : Apesanteur et chute libre

3. L'atterrissage d'une fusée

Thème : Analyse cinématique vidéo | Niveau : 3e – Lycée | Outil : Analyse vidéo | Durée : 45 min

Sophie Adenot a rejoint l'ISS à bord d'une capsule Crew Dragon, lancée par une fusée Falcon 9 de SpaceX. L'une des prouesses de SpaceX est la récupération du premier étage, qui revient se poser verticalement sur une barge en mer. Comment est piloté cet atterrissage spectaculaire ? Le mouvement de descente est-il uniforme, accéléré, ou suit-il un autre profil ?

Pour répondre, on utilise l'analyse vidéo de mouvement, une technique puissante disponible dans des applications comme FizziQ (module Cinématique), Tracker ou Vernier Video Physics. À partir d'une vidéo de l'atterrissage d'une Falcon 9 (de nombreux exemples sont disponibles sur YouTube ou dans la bibliothèque de vidéos de FizziQ), on pointe la position de la fusée image par image pour reconstituer sa trajectoire et son profil de vitesse.

L'analyse révèle que la vitesse de descente de la fusée diminue linéairement avec le temps, ce qui correspond à une décélération constante. Ce n'est pas un hasard : un profil de freinage à décélération constante est optimal en termes de consommation de carburant. La fusée allume son moteur au dernier moment et freine juste assez pour atteindre une vitesse nulle exactement au contact du sol. Ce type de manœuvre, appelé « suicide burn » ou « hoverslam » dans le jargon spatial, est un compromis calculé entre efficacité et sécurité.

Cette analyse ouvre une discussion sur les défis de l'alunissage prévu pour les futures missions Artémis. Sur la Lune, l'absence d'atmosphère rend impossible tout freinage aérodynamique : la totalité de la décélération doit être assurée par les moteurs. De plus, la gravité lunaire (1,6 m/s²) modifie les paramètres du problème. Les élèves peuvent s'interroger : avec une gravité six fois plus faible, faut-il plus ou moins de carburant pour se poser ? La réponse n'est pas triviale, car si le poids est plus faible, la masse à freiner reste la même.

➡️ Activité : Fusée SpaceX

4. Mettre un satellite en orbite

Thème : Orbite géostationnaire et lois de Kepler | Niveau : 3e – Lycée | Outil : Simulation numérique | Durée : 30 min

L'ISS dans laquelle vit Sophie Adenot est un satellite : elle orbite autour de la Terre à environ 400 km d'altitude, bouclant un tour complet en seulement 90 minutes. Cela signifie que Sophie voit le soleil se lever et se coucher 16 fois par jour ! Les satellites météorologiques, eux, sont placés sur une orbite géostationnaire à 36 000 km d'altitude, où leur période est exactement de 24 heures : ils semblent immobiles vus du sol.

Pourquoi cette différence ? Comment la distance à la Terre détermine-t-elle la vitesse et la période d'un satellite ? Dans le simulateur Orbites et Gravitation, les élèves doivent placer un satellite en orbite géostationnaire. Ils découvrent qu'il n'existe qu'une seule altitude à laquelle un satellite a une période de 24 heures : trop bas, il tourne trop vite ; trop haut, trop lentement. C'est une application directe de la relation v = √(G·M/r) et de la troisième loi de Kepler.

On constate alors un résultat surprenant : plus un satellite est haut, plus il va lentement. L'ISS de Sophie Adenot file à 7,7 km/s pour rester en orbite basse, tandis qu'un satellite géostationnaire ne se déplace qu'à 3,1 km/s. La vitesse orbitale n'est pas une question de puissance du lanceur, mais une conséquence de la loi de la gravitation universelle.

En enregistrant les données de la simulation, les élèves peuvent vérifier quantitativement la loi de Kepler en traçant T² en fonction de r³ pour différentes altitudes orbitales. Les points s'alignent parfaitement, confirmant la proportionnalité. On peut alors extraire de la pente du graphique la masse de la Terre, une belle mesure indirecte réalisée uniquement à partir de la mécanique céleste.

➡️ Activités : Satellite météo, Période lunaire

5. Les lois de Kepler et le système solaire

Thème : Mécanique céleste | Niveau : Lycée | Outil : Simulation numérique | Durée : 45 min

Les lois de Kepler, formulées au début du XVIIe siècle à partir des observations de Tycho Brahe, sont le fondement de toute la navigation spatiale moderne. Elles permettent de calculer les trajectoires des sondes, des vaisseaux et des planètes. La mission Artémis utilise ces mêmes lois, découvertes il y a plus de quatre siècles, pour envoyer des astronautes vers la Lune.

Dans cette activité, les élèves modélisent le système solaire intérieur dans le simulateur Orbites et Gravitation : le Soleil au centre, puis Mercure, Vénus, la Terre et Mars, chacun avec sa masse réelle, sa distance réelle et sa vitesse orbitale. L'échelle de distance est ajustée à environ 1 000 000 km/pixel et le pas de temps à plusieurs heures pour observer les révolutions. En lançant la simulation, on voit les quatre planètes tourner autour du Soleil à des vitesses très différentes.

La vérification de la troisième loi de Kepler (T² / a³ = constante) se prête bien à cette simulation. En relevant les périodes et les rayons orbitaux de chaque planète dans le cahier d'expériences, les élèves construisent un tableau et vérifient que le rapport T²/a³ est bien le même pour toutes les planètes. Ils peuvent aussi observer la première loi de Kepler (les orbites sont des ellipses) en donnant une vitesse initiale légèrement différente de la vitesse circulaire.

On peut aussi aborder la notion de transfert de Hohmann, la manœuvre orbitale la plus économique pour passer d'une orbite à une autre. C'est le principe utilisé par les missions spatiales pour quitter l'orbite terrestre et se diriger vers la Lune ou Mars. En donnant une impulsion (une augmentation soudaine de vitesse) à un corps en orbite circulaire, on observe comment sa trajectoire se déforme en une ellipse qui peut intercepter une orbite plus haute.

➡️ Activité : Système solaire

6. L'injection translunaire

Thème : Trajectoire Terre-Lune et retour libre | Niveau : Lycée | Outil : Simulation numérique | Durée : 45 min

On peut aller plus loin et tenter de reproduire, en version simplifiée, la mission Artémis II. En langage spatial, l'injection translunaire (en anglais Trans-Lunar Injection, TLI) est l'impulsion qui fait passer un vaisseau d'une orbite terrestre à une trajectoire vers la Lune. Lors d'Artémis II, c'est le moteur du module de service européen (ESM) qui a réalisé cette manœuvre le 2 avril 2026, en s'allumant pendant environ six minutes.

Pour modéliser cette situation dans le simulateur Orbites et Gravitation, on adopte un protocole simplifié : on place la Terre au centre avec une vitesse nulle, et la Lune à 384 400 km, également avec une vitesse nulle. La Lune ne tourne donc pas autour de la Terre, ce qui simplifie le problème et permet de se concentrer sur la trajectoire du vaisseau. On ajoute ensuite un troisième corps de masse négligeable (une sonde spatiale) à 36 000 km de la Terre, c'est-à-dire à la distance d'une orbite géostationnaire, et on lui donne une vitesse initiale dirigée vers la Lune.

La question est simple : quelle vitesse faut-il donner à cette sonde pour qu'elle atteigne la Lune, passe derrière elle, et revienne vers la Terre ?

C'est un vrai défi expérimental, à résoudre par tâtonnements. Si la vitesse de départ est trop faible, la sonde retombe vers la Terre sans atteindre la Lune. Trop élevée, elle dépasse la Lune et s'échappe du système. Il faut aussi ajuster la direction du lancement. Par essais successifs, les élèves découvrent qu'il existe une fenêtre étroite de vitesse qui permet à la sonde de contourner la Lune et de revenir naturellement vers la Terre, sans aucune correction de trajectoire.

C'est le principe de la trajectoire de « retour libre » (free return trajectory) utilisée par Artémis II, et avant elle par les missions Apollo. Si les moteurs du vaisseau tombent en panne après l'injection translunaire, la gravité de la Lune dévie la trajectoire et renvoie le vaisseau vers la Terre. C'est ce qui a sauvé l'équipage d'Apollo 13 en 1970. En manipulant le simulateur, les élèves comprennent concrètement pourquoi cette trajectoire existe et à quel point elle dépend de la précision de la vitesse initiale.

➡️ Activité : Injection translunaire

7. La fronde gravitationnelle

Thème : Assistance gravitationnelle | Niveau : Lycée – Supérieur | Outil : Simulation numérique | Durée : 45 min

Pour conclure notre voyage, éloignons-nous de la Terre et de la Lune pour explorer l'assistance gravitationnelle, aussi appelée « fronde gravitationnelle ». Cette manœuvre permet à une sonde de gagner de la vitesse en survolant une planète, sans consommer de carburant. C'est grâce à cette technique que les sondes Voyager ont pu atteindre les confins du système solaire, et que la sonde Cassini a pu rejoindre Saturne.

Dans le simulateur, les élèves configurent un scénario où une planète massive (Saturne, par exemple) se déplace, et une sonde spatiale passe à proximité. En mesurant la vitesse de la sonde avant et après le survol (grâce aux données exportées dans le cahier d'expériences), on constate que la sonde ressort du survol avec une vitesse supérieure à sa vitesse d'entrée.

Comment est-ce possible sans violer la conservation de l'énergie ? La clé est que la planète est en mouvement. Du point de vue de la planète, la sonde entre et sort avec la même vitesse, c'est un simple problème de déviation symétrique. Mais du point de vue du Soleil (le référentiel dans lequel on navigue), la sonde a « emprunté » une infime quantité d'énergie cinétique à la planète. Saturne est si massive que sa vitesse n'est pas mesurable, mais la sonde, bien plus légère, gagne une quantité significative de vitesse. C'est un peu comme une balle de tennis rebondissant sur un camion en mouvement : elle repart bien plus vite qu'elle n'est arrivée.

Cette technique pourrait être utilisée dans les futures missions d'exploration lointaine. Même pour les missions Artémis, la compréhension des interactions gravitationnelles à trois corps (Terre-Lune-vaisseau) est essentielle pour optimiser les trajectoires et économiser du carburant. L'activité complémentaire Problème à trois corps permet d'explorer le chaos déterministe qui apparaît lorsque trois masses interagissent, un phénomène qui rend la navigation spatiale aussi complexe que passionnante.

➡️ Activité : Fronde gravitationnelle

Conclusion

Nous avons présenté sept expériences qui couvrent un large spectre de la physique des voyages spatiaux, depuis les sensations corporelles de l'astronaute jusqu'à la mécanique céleste. Leur fil conducteur suit les étapes d'une mission spatiale : comprendre l'impesanteur que vit Sophie Adenot dans l'ISS (expérience 1), supporter les forces du décollage (2), maîtriser l'atterrissage d'une fusée (3), comprendre les orbites des satellites (4), simuler une injection translunaire comme celle d'Artémis II (5), naviguer dans le système solaire grâce aux lois de Kepler (6), et utiliser la gravité des planètes comme moteur gratuit (7).

Ces activités peuvent être réalisées individuellement ou combinées dans un projet interdisciplinaire autour de la mission Epsilon de Sophie Adenot et du programme Artémis. Elles mobilisent des compétences variées (mesure, modélisation, analyse graphique, esprit critique) et s'appuient sur des outils numériques accessibles : les capteurs des smartphones que les élèves ont dans leur poche, et des simulateurs gratuits utilisables depuis n'importe quel navigateur.

L'année 2026 est l'occasion de rendre la physique vivante. Quand Sophie Adenot réalise une expérience en impesanteur dans l'ISS, ou quand l'équipage d'Artémis II contemple la face cachée de la Lune, ce sont les mêmes lois de Newton et de Kepler qui gouvernent leur voyage. Ces mêmes lois que l'on peut explorer, mesurer et vérifier en classe, avec un smartphone et un peu de curiosité.

Références et bibliographie

[1] Documentation de la simulation Orbites et Gravitation de FizziQ Web : guide d'utilisation complet du simulateur, modèle physique, configurations recommandées et activités pédagogiques. https://www.fizziq.org/post/documentation-simulation-orbites-gravitation

[2] « Sept expériences sur la gravité à faire avec un smartphone » : article de blog FizziQ présentant des expériences sur la pesanteur, la chute libre, le pendule et la variation de g avec l'altitude et la latitude. https://www.fizziq.org/post/sept-experiences-sur-la-gravitation-partie1

[3] Mission Epsilon : page officielle du CNES consacrée à la mission de Sophie Adenot à bord de l'ISS, avec le détail des expériences scientifiques françaises. https://cnes.fr/projets/mission-epsilon

[4] Artémis II : page officielle de la NASA décrivant le plan de vol, l'équipage et les objectifs scientifiques de la première mission habitée vers la Lune depuis 1972. https://www.nasa.gov/mission/artemis-ii/

[5] « Artémis II : tout savoir avant le décollage » : article de la Cité de l'espace détaillant le déroulement de la mission, les phases de vol et le profil de la trajectoire lunaire. https://www.cite-espace.com/actualites-spatiales/tout-savoir-sur-la-mission-artemis-ii-avant-le-decollage/

[6] Apollo 14 Pendulum Experiment : archives de la NASA documentant l'oscillation accidentelle d'un container sur la Lune, qui a permis de vérifier la formule du pendule en gravité lunaire.https://history.nasa.gov/alsj/a14/a14pendulum.html

[7] « Le pendule, la pesanteur et la latitude » : ressource Planet-Terre (ENS Lyon) sur les variations de la pesanteur terrestre et leur lien historique avec le pendule. https://planet-terre.ens-lyon.fr/ressource/pendule-pesanteur-latitude.xml

[8] Phyphox : application gratuite développée par l'Université d'Aix-la-Chapelle (RWTH Aachen) pour exploiter les capteurs des smartphones en physique. https://phyphox.org

Mots-clés : Artémis, Sophie Adenot, ISS, mission Epsilon, gravitation, orbite, Kepler, accélération, impesanteur, chute libre, SpaceX, simulation