Apesanteur et chute libre
Simuler l'apesanteur d'un vol Zéro G en lançant un smartphone et en observant que l'accélération mesurée devient nulle en chute libre.
Pour préparer les astronautes aux conditions de l'espace, les agences spatiales utilisent un entraînement spectaculaire : le vol Zéro G. Les astronautes sont placés dans la carlingue vide d'un avion dont les parois intérieures sont recouvertes de matelas de protection. L'avion décrit alors des trajectoires paraboliques : pendant la fin de la phase ascendante puis le début de la phase descendante, les passagers peuvent détacher leurs ceintures et flotter librement dans la cabine, comme s'ils étaient en orbite autour de la Terre. Cette sensation d'apesanteur, qui dure environ 25 secondes par parabole, n'est pas due à l'absence de gravité — la Terre attire toujours l'avion et ses passagers — mais au fait que l'avion et ses occupants sont tous en chute libre ensemble. C'est exactement ce qui se passe sur la Station Spatiale Internationale : les astronautes ne flottent pas parce qu'il n'y a pas de gravité, mais parce qu'ils tombent en permanence autour de la Terre. Grâce à l'accéléromètre de ton smartphone et à l'application FizziQ, tu vas pouvoir reproduire ce phénomène fascinant à petite échelle et comprendre pourquoi un objet en chute libre ne ressent aucune force.
Resumo :
L'élève utilise l'accéléromètre de FizziQ pour observer que l'accélération absolue d'un smartphone posé sur une table vaut 9,80 m/s², puis constate qu'en lançant le smartphone en l'air (au-dessus d'un matelas), l'accélération mesurée devient nulle pendant la phase de vol libre, reproduisant ainsi les conditions d'apesanteur d'un vol Zéro G.
Nível :
Autor:
Autor:
1re–Supérieur
FizziQ
30
Objetivo educacional:
- Comprendre la différence entre accélération absolue et accélération linéaire mesurées par un smartphone.
- Observer que l'accélération absolue mesurée par un objet en chute libre est nulle.
- Relier l'expérience du smartphone lancé en l'air au principe des vols Zéro G.
- Interpréter un graphique d'accélération en fonction du temps et identifier les phases de vol.
- Découvrir le principe d'équivalence entre gravitation et accélération.
Conceitos científicos:
Apesanteur; Chute libre; Accélération de la pesanteur; Accélération absolue; Force de réaction normale; Principe d'équivalence; Trajectoire parabolique; Référentiel non inertiel
Sensores:
- Accéléromètre (accélération absolue)
- Enregistrement temporel
Material:
Smartphone avec l'application FizziQ; Un matelas épais ou un lit moelleux pour amortir la réception; Cahier d'expérience FizziQ
Protocolo experimental:
1. Ouvre l'application FizziQ sur ton smartphone et sélectionne l'instrument de mesure Accélération absolue. Pose le smartphone à plat sur une table.
2. Observe la valeur affichée : elle indique environ 9,80 m/s². Change l'orientation du smartphone dans toutes les directions et constate que la valeur reste constante à environ 9,80 m/s².
3. Réfléchis : le smartphone est immobile, pourtant l'accéléromètre mesure une accélération non nulle. Cette valeur correspond à l'accélération de la pesanteur g. La table exerce une force de réaction vers le haut qui empêche le smartphone de tomber, et c'est cette force que le capteur détecte.
4. Prépare un matelas épais ou un lit moelleux pour servir de zone de réception. Le smartphone doit pouvoir retomber sans risque de casse.
5. Dans FizziQ, active l'enregistrement de l'accélération absolue en appuyant sur le bouton Enregistrer.
6. Lance délicatement le smartphone en l'air de manière à ce qu'il décrive une courte parabole au-dessus du matelas. Ne lance pas trop haut : 30 à 50 cm suffisent. Veille à ce qu'il retombe bien sur le matelas.
7. Arrête l'enregistrement après la réception et ajoute le graphique au cahier d'expérience.
8. Analyse le graphique obtenu. Identifie les trois phases : le lancer (accélération supérieure à g), le vol libre (accélération proche de zéro) et l'impact sur le matelas (pic d'accélération).
9. Mesure la durée de la phase où l'accélération est proche de zéro. Cette durée correspond au temps pendant lequel le smartphone était en apesanteur.
10. Répète l'expérience en lançant le smartphone à différentes hauteurs. Compare les durées d'apesanteur obtenues.
11. Fais le lien avec les vols Zéro G : dans l'avion, les astronautes sont dans la même situation que ton smartphone en vol libre. L'avion et les passagers décrivent ensemble une parabole, et pendant cette phase, tous les objets à l'intérieur de la cabine sont en chute libre simultanée, ce qui crée la sensation d'apesanteur.
12. Documente tes observations, tes graphiques et tes conclusions dans le cahier d'expérience FizziQ.
Resultados esperados
Lorsque le smartphone est posé sur une table, l'accéléromètre mesure une accélération absolue constante de 9,80 m/s², quelle que soit l'orientation du téléphone. Cette valeur correspond à l'accélération de la pesanteur g et reflète la force de réaction de la table sur le smartphone. Lorsque le smartphone est lancé en l'air, le graphique d'enregistrement révèle trois phases distinctes : une brève phase de lancer où l'accélération dépasse g (la main pousse le téléphone), une phase de vol libre où l'accélération chute brutalement à une valeur proche de zéro (typiquement entre 0 et 0,5 m/s² en raison de la résistance de l'air et du bruit du capteur), puis une phase d'impact où l'accélération présente un pic important au moment de la réception sur le matelas. La durée de la phase d'apesanteur est de l'ordre de 0,5 à 1 seconde pour un lancer modéré. Des variations résiduelles autour de zéro sont normales et dues à la rotation du smartphone pendant le vol et à la résistance de l'air.
Questões científicas:
- Pourquoi l'accéléromètre mesure-t-il 9,80 m/s² alors que le smartphone est immobile sur la table ?
- Pourquoi l'accélération mesurée est-elle nulle pendant le vol libre alors que le smartphone change de vitesse ?
- Quelle est la différence entre l'apesanteur et l'absence de gravité ?
- Pourquoi les astronautes de la Station Spatiale Internationale flottent-ils alors que la gravité est encore forte à 400 km d'altitude ?
- Comment la durée de la phase d'apesanteur dépend-elle de la hauteur du lancer ?
- Pourquoi observe-t-on une accélération résiduelle non nulle pendant le vol libre au lieu d'un zéro parfait ?
Analyse scientifique
L'accéléromètre d'un smartphone mesure ce que l'on appelle l'accélération propre, c'est-à-dire l'accélération ressentie par l'appareil par rapport à un référentiel en chute libre. Quand le smartphone est posé sur une table, il est soumis à deux forces : son poids P = m × g dirigé vers le bas, et la réaction normale N de la table dirigée vers le haut. Ces deux forces s'équilibrent, le smartphone est immobile, mais l'accéléromètre mesure la force exercée par la table sur le capteur interne, soit une accélération de g = 9,80 m/s².
Lorsque le smartphone est lancé en l'air et n'est plus en contact avec aucune surface, la force de réaction disparaît. Le smartphone n'est soumis qu'à son poids et se trouve en chute libre. Dans cette situation, l'accéléromètre ne détecte aucune force de contact et mesure une accélération nulle. C'est le paradoxe de la chute libre : bien que la vitesse du smartphone varie pour un observateur extérieur (il monte puis redescend), le capteur embarqué ne mesure aucune accélération.
Ce phénomène s'explique par le principe d'équivalence formulé par Albert Einstein en 1907. Ce principe stipule qu'il est impossible de distinguer localement un champ de gravitation d'un référentiel accéléré. Un observateur enfermé dans un ascenseur en chute libre ne peut pas savoir s'il est en apesanteur dans l'espace lointain ou en chute libre dans un champ de gravitation. Ce principe est l'un des fondements de la relativité générale.
Concrètement, l'accéléromètre du smartphone fonctionne grâce à une masse minuscule (de l'ordre du microgramme) suspendue par des micro-ressorts dans une puce MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems). Lorsqu'une force s'exerce sur le capteur, cette masse se déplace par rapport à son support. Le déplacement est converti en signal électrique proportionnel à l'accélération. En chute libre, la masse et son support tombent ensemble : il n'y a pas de déplacement relatif, donc pas de signal, et l'accélération mesurée est nulle.
Dans les vols Zéro G, l'avion suit une trajectoire parabolique très précise. Pendant la phase ascendante, les moteurs poussent l'avion vers le haut et les passagers subissent une surcharge (environ 1,8 g). Puis le pilote réduit la poussée pour que l'avion suive exactement la trajectoire parabolique dictée par la gravité seule. Pendant cette phase, qui dure environ 22 secondes, l'avion et tout ce qu'il contient sont en chute libre ensemble. Les astronautes flottent dans la cabine car aucune force de contact ne s'exerce sur eux.
Il est important de comprendre que l'apesanteur n'est pas l'absence de gravité. La gravité terrestre agit toujours sur l'avion et ses passagers pendant le vol Zéro G. L'apesanteur est l'absence de force de contact : quand toutes les surfaces d'appui suivent la même trajectoire de chute libre que l'objet, celui-ci ne ressent plus aucune force de contact et flotte librement.
La même situation se produit à bord de la Station Spatiale Internationale (ISS). En orbite à environ 400 km d'altitude, l'accélération de la pesanteur vaut encore environ 8,7 m/s², soit 89% de sa valeur au sol. Les astronautes flottent non pas parce que la gravité est faible, mais parce que la station et ses occupants sont en chute libre permanente autour de la Terre. L'orbite circulaire n'est rien d'autre qu'une chute libre perpétuelle où la vitesse horizontale est suffisante pour que l'objet « rate » la Terre en permanence.
La distinction entre accélération absolue et accélération linéaire dans FizziQ est essentielle pour cette expérience. L'accélération absolue inclut la composante gravitationnelle (elle vaut g quand le téléphone est au repos). L'accélération linéaire soustrait la composante de la gravité grâce au magnétomètre et vaut zéro quand le téléphone est au repos. Pour cette expérience, c'est l'accélération absolue qu'il faut utiliser car elle met en évidence la disparition de la composante g pendant la chute libre.
On peut relier la durée de la phase d'apesanteur à la hauteur du lancer. Si le smartphone est lancé verticalement à une hauteur h au-dessus du point de lancer, la durée totale du vol (montée + descente) est t = 2 × √(2h/g). Pour un lancer de 50 cm de hauteur, la durée d'apesanteur est d'environ 0,64 seconde. Pour un lancer de 1 mètre, elle est d'environ 0,90 seconde.
Possíveis variações
- Comparer les graphiques obtenus avec l'accélération absolue et l'accélération linéaire pour la même expérience.
- Lancer le smartphone à différentes hauteurs et tracer la durée d'apesanteur en fonction de la hauteur estimée, puis comparer avec la prédiction théorique t = 2√(2h/g).
- Réaliser l'expérience dans un ascenseur en début et fin de course pour observer les phases de surcharge et de décharge.
- Utiliser l'enregistrement simultané de l'accélération sur les trois axes (X, Y, Z) pour analyser la rotation du smartphone pendant le vol.
- Comparer l'expérience avec le saut vertical d'un élève portant le smartphone dans une poche.
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FAQ
Q: N'y a-t-il pas un risque de casser le smartphone en le lançant en l'air ?
R: Le risque est réel et doit être minimisé. Il faut utiliser un matelas très épais ou un lit moelleux, lancer le smartphone à faible hauteur (30-50 cm), et s'assurer que la zone de réception est large. On peut aussi utiliser une coque de protection. L'enseignant peut réaliser la démonstration lui-même si nécessaire.
Q: Pourquoi l'accélération ne descend-elle pas exactement à zéro pendant le vol libre ?
R: Plusieurs facteurs expliquent une valeur résiduelle : la résistance de l'air exerce une petite force sur le smartphone, la rotation du téléphone pendant le vol perturbe la mesure, et le capteur présente un bruit électronique intrinsèque. Une valeur comprise entre 0 et 0,5 m/s² est un résultat normal.
Q: Quelle est la différence entre accélération absolue et accélération linéaire dans FizziQ ?
R: L'accélération absolue mesure l'accélération totale incluant la gravité : elle vaut g = 9,80 m/s² quand le téléphone est au repos. L'accélération linéaire soustrait la composante gravitationnelle : elle vaut zéro quand le téléphone est au repos. Pour cette expérience, il faut utiliser l'accélération absolue pour observer la disparition de g pendant la chute libre.
Q: Pourquoi les astronautes de l'ISS flottent-ils si la gravité existe encore en orbite ?
R: La station et les astronautes sont en chute libre permanente autour de la Terre. Ils tombent continuellement, mais leur vitesse horizontale les empêche de toucher le sol. Comme tous les objets à bord chutent ensemble, aucune force de contact ne s'exerce et tout flotte librement.