Astronaute et essoreuse
Un astronaute survivrait-il dans une essoreuse à salade ?
Dans certains films, comme L'Étoffe des Héros, les astronautes sont soumis à des tests éprouvants dans des centrifugeuses géantes. Ces machines servent à vérifier si le corps des astronautes peut supporter les très fortes accélérations qu'il vont subir durant le décollage et l'atterrissage de la fusée.
Dans cette activité, tu vas reproduire une centrifugeuse miniature avec une essoreuse à salade et mesurer l'accélération obtenue à l'aide d'un smartphone.
Résumé :
L'élève transforme une essoreuse à salade en centrifugeuse miniature en y plaçant son smartphone protégé, puis mesure l'accélération centripète maximale générée lors de la rotation, en utilisant l'accéléromètre de FizziQ. Activité adaptée au lycée.
Niveau :
Auteur :
Durée :
1re–Supérieur
FizziQ
50
Objectif pédagogique :
- Comprendre le rôle de l'accélération centripète dans un mouvement circulaire.
- Utiliser un accéléromètre pour mesurer une accélération réelle.
- Relier des mesures expérimentales à un modèle mathématique.
- Comparer des résultats expérimentaux à des limites physiologiques humaines.
Concepts scientifiques :
- Accélération centripète
- Mouvement circulaire uniforme
- Vitesse angulaire
- Force centrifuge apparente
- Accélération gravitationnelle
- Forces inertielle
- Physiologie des accélérations élevées
- Limites du corps humain face aux forces g
Capteurs :
- Accéléromètre - Gyroscope
Matériel :
- Smartphone avec l'application FizziQ (ou une application équivalente comme phyphox permettant l'acquisition des capteurs du smartphone)
- Essoreuse à salade,
- Protection pour le smartphone,
- Chronomètre (optionnel),
- Mètre ruban pour mesurer le rayon de l'essoreuse
Protocole expérimental :
1. Dans le film l'Etoffe des Héros, les astronautes sont soumis à des tests de résistance. Essaie de comprendre ces tests avec une essoreuse à salade
2. Pour être sûr que les astronautes résistent aux fortes accélérations, on les soumet au test de la centrifugeuse
3. Dans ce test, une capsule dans laquelle se trouve l'astronaute tourne de plus en plus vite autour d'un axe, jusqu'à ce qu'il s'évanouisse ou demande d'arrêter
4. Un humain qui n'est pas entraîné supporte une accélération de 4 à 6 g, c'est-à-dire de 4 à 6 fois son poids. Un astronaute peut supporter jusqu'à 12 g
5. Avec l'aide de ton smartphone et d'une essoreuse à salade, peux-tu reproduire une centrifugeuse et mesurer l'accélération maximale à laquelle tu arrives à soumettre ton portable ?
6. n'oublie pas de bien emballer ton smartphone !
7. Est-ce qu'un astronaute aurait survécu s'il était à la place de ton smartphone dans le panier ?
8. Peux-tu calculer la vitesse, en tours par minute, du panier de l'essoreuse qui génère cette accélération ?
9. Si le panier est plus grand, mais tourne à la même vitesse, est-ce que l'accélération sera plus grande ou plus petite ?
10. Qu'en déduis-tu sur la conception des centrifugeuses ?
Résultats attendus
L'accélération mesurée augmente lorsque la vitesse de rotation augmente.
Des valeurs d'accélération de plusieurs g peuvent être obtenues avec une essoreuse à salade.
Pour une vitesse de rotation constante, une augmentation du rayon entraîne une augmentation de l'accélération centripète.
La comparaison avec les limites physiologiques humaines permet d'estimer si un astronaute pourrait supporter l'accélération mesurée.
Questions scientifiques :
- Quelle accélération maximale peut-on obtenir avec une essoreuse à salade ?
- Un astronaute pourrait-il supporter cette accélération ?
- Comment la vitesse de rotation influence-t-elle l'accélération centripète ?
- Pourquoi les centrifugeuses professionnelles ont-elles un grand rayon ?
Analyse scientifique
L'accélération centripète est la force qui maintient un objet sur une trajectoire circulaire. Elle est dirigée vers le centre du cercle et se calcule selon la formule a = v²/r = ω²r, où v est la vitesse tangentielle, r le rayon de rotation et ω la vitesse angulaire. Dans cette expérience, l'accéléromètre du smartphone mesure cette accélération en unités de g (1g = 9,81 m/s²). Les centrifugeuses d'entraînement des astronautes exploitent ce même principe pour simuler les forces supportées lors d'un décollage ou d'une rentrée atmosphérique. Les effets physiologiques varient selon l'intensité : à 2-3g, le sang s'accumule dans les jambes; à 4-6g, une personne non entraînée peut perdre connaissance; au-delà de 9g, même les pilotes entraînés risquent le black-out. Le rapport entre rayon et accélération centripète est particulièrement important : pour une même vitesse angulaire, l'accélération augmente proportionnellement au rayon. C'est pourquoi les centrifugeuses professionnelles ont généralement de grands rayons (4-8 mètres).
Variantes possibles
- Utiliser des essoreuses de tailles différentes pour comparer les accélérations obtenues.
- Tester différentes vitesses de rotation et comparer les valeurs mesurées.
- Réaliser l'expérience avec différentes masses pour observer l'effet sur la rotation.
Activités et ressources associées
- Centrifugeuse : Étudier l'accélération centripète et le facteur g dans un mouvement circulaire en faisant varier la vitesse de rotation et le rayon avec la simulation Centrifugeuse de FizziQ Web.
- En orbite : Relation entre accélération centripète et vitesse de rotation pour un mouvement circulaire uniforme
- C'est quoi un accéléromètre : Découvre le concept d'accélération linéaire
- Lancer de marteau : Mesure de la vitesse d'éjection lors du lancer de marteau par analyse cinématique.
Pour aller plus loin :
G (accélération) Article de référence détaillant les effets physiologiques des forces g sur le corps humain : à partir de 5 g une personne non entraînée perd connaissance (voile noir), les pilotes militaires peuvent supporter durablement 9 g grâce à une combinaison anti-g, et la tolérance varie selon la direction, la durée et la posture du corps.
Tournez manège ! - Eduscol / La Physique Autrement Séquence pédagogique officielle Eduscol utilisant un smartphone dans une essoreuse à salade pour mesurer l'accélération centripète et vérifier la relation a = Rω², avec gyroscope et accéléromètre, conçue spécifiquement pour le programme de terminale sur le mouvement circulaire uniforme.
Étude de l'accéléromètre d'un smartphone - Académie d'Orléans-Tours Fiche de TP académique utilisant l'application Physics Toolbox Sensor Suite et un tourne-disque pour étudier l'accélération centripète : les élèves mesurent les composantes d'accélération selon plusieurs positions du smartphone, vérifient la relation a = Rω² et localisent même l'accéléromètre dans le téléphone.
Comment fonctionne l'accéléromètre de mon smartphone ? Tout savoir sur le fonctionnement de l'accéléromètre de votre smartphone
FAQ
Q: Qu'est-ce que l'accélération centripète ?
R: L'accélération centripète est la force qui maintient un objet sur une trajectoire circulaire.
Q: Comment l'accéléromètre du smartphone est-il utilisé dans cette activité ?
R: L'accéléromètre MEMS du smartphone mesure l'accélération selon trois axes (x, y, z). FizziQ affiche ces données en temps réel sous forme de graphiques, permettant d'enregistrer et d'analyser précisément les mouvements étudiés.
Q: Comment intégrer cette activité dans un cours de physique au lycée ?
R: Cette activité s'inscrit dans le programme de accélération 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.