Ascenseur du ciel
Un avion grimpe t-il plus vite qu'un ascenseur ?
Dans les grandes villes modernes, certains ascenseurs atteignent des vitesses impressionnantes. Par exemple, l’ascenseur de la Shanghai Tower peut monter à plus de 20 m/s, soit plus de 70 km/h. Pourtant, les avions de ligne montent eux aussi rapidement après le décollage pour atteindre leur altitude de croisière. Il devient alors intéressant de comparer ces deux moyens de transport vertical. Grâce aux capteurs intégrés dans un smartphone, il est possible de mesurer l’altitude au cours du temps et d’en déduire une vitesse verticale. Cette activité propose d’exploiter un vol en avion pour enregistrer l’évolution de l’altitude pendant la phase de montée. L’élève analyse ensuite ces données pour calculer une vitesse moyenne et la comparer à celle d’un ascenseur très rapide. Cette expérience illustre comment des mesures réelles permettent de confronter des idées intuitives à des résultats quantitatifs.
Résumé :
Lors d'un vol en avion, l'élève utilise le GPS de FizziQ pour mesurer et enregistrer l'altitude pendant la phase de montée sur une période de 30 secondes. Activité adaptée au lycée.
Niveau :
Auteur :
Durée :
Lycée
FizziQ
20-40 minutes
Objectif pédagogique :
- 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 :
- Vitesse verticale
- Variation d’altitude
- Calcul de vitesse moyenne
- Mouvement vertical
- Pression atmosphérique
- Portance aérodynamique
- Pressurisation cabine
- Conversion d’unités (m/s, km/h)
Capteurs :
- GPS
- Altimètre (déduit du GPS ou de la pression atmosphérique selon l’appareil)
Matériel :
- Smartphone avec l'application FizziQ (ou une application équivalente comme Physics Toolbox permettant l'acquisition des données du GPS)
- Un vol en avion
Protocole expérimental :
La réglementation veut que l’on mette son smartphone en mode avion, mais dans la plupart des cas le GPS fonctionne dans ce mode. Si on suffisament près du hublot, la puce GPS est suffisament sensible pour détecter les satelittes et on l'altimètre fonctionne tout à fait correctement, et permet à l'élève d'enregistrer l'altitude de l'appareil pendant la phase d'ascencion et d'en déduire la vitesse ascencionnelle.
Le défi que nous proposons est de comparer la vitesse ascencionnelle de l'avion à celle de l'ascenceur de la Shaghai Tower, l'acsnceur le plus rapide du monde.
A titre d'exemple, voici la copie d'écran d'un vol en direction du Danemark. On a enregistré à la fois l'altitude et l'accélération verticale. On voit que les faibles variations de l'accélération n'ont pas d'impact significatif sur le taux moyen de montée de l'avion.
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 proches de 15 m/s. 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 :
- 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 ?
Analyse scientifique
La vitesse ascensionnelle d'un avion de ligne en phase de montée initiale est généralement comprise entre 7 et 10 m/s (environ 1500-2000 pieds/minute), pouvant parfois atteindre 15-18 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 (74 km/h), ce qui en fait le plus rapide du monde. 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 crucial concerne la pressurisation : dans un ascenseur, la pression reste constante car le système est ouvert à l'atmosphère, alors que les avions maintiennent une pression cabine artificielle, car la pression atmosphérique diminue avec l'altitude (environ -1 hPa tous les 8,5 m).
Variantes 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.
Activités et ressources associées
- Décollage : Calcul de la vitesse de décollage d'un avion de ligne
- Lancer de marteau : Mesure de la vitesse d'éjection lors du lancer de marteau par analyse cinématique.
- Le badminton : Analyse cinématique de la trajectoire d’un volant de badminton et influence des forces aérodynamiques
- Mouvement rectiligne uniforme : Tester l'hypothèse d'un repère galiléen dans la vie pratique
FAQ
Q: Qu'est-ce que la vitesse verticale ?
R: La vitesse ascensionnelle d'un avion de ligne en phase de montée initiale est généralement comprise entre 7 et 10 m/s (environ 1500-2000 pieds/minute), pouvant parfois atteindre 15-18 m/s.
Q: Comment FizziQ exploite-t-il le GPS du smartphone ?
R: 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.
Q: Comment intégrer cette activité dans un cours de physique au lycée ?
R: 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.