Fusée Space X
Analyse cinématique de la vitesse de descente d’une fusée Falcon 9 lors d’un atterrissage contrôlé
L’atterrissage vertical d’une fusée est longtemps resté un défi majeur pour les ingénieurs spatiaux. Pendant des décennies, les fusées étaient utilisées une seule fois puis abandonnées après leur mission. L’entreprise SpaceX a révolutionné ce domaine en développant des fusées capables de revenir sur Terre et d’atterrir verticalement sur une barge flottante. Cette manœuvre nécessite un contrôle extrêmement précis de la vitesse et de la position de la fusée. Lors de la descente finale, la fusée doit ralentir suffisamment pour éviter un impact destructeur tout en consommant le moins de carburant possible. Dans cette activité, les élèves analysent une vidéo réelle d’atterrissage d’une fusée Falcon 9. Ils mesurent les positions successives de la fusée et étudient l’évolution de sa vitesse afin de comprendre la stratégie de descente utilisée par les ingénieurs.
Résumé :
L’élève analyse une vidéo de l’atterrissage d’une fusée Falcon 9 en utilisant le module d’analyse cinématique. Il pointe les positions successives de la fusée pour calculer sa vitesse au cours du temps. Les graphiques obtenus permettent d’identifier une phase de descente à vitesse quasi constante. L’activité permet de comprendre les principes physiques et techniques d’un atterrissage contrôlé.
Niveau :
Auteur :
Durée :
Lycée
FizziQ
30-50 minutes
Objectif pédagogique :
- 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 :
- Mouvement rectiligne vertical
- Vitesse constante
- Mouvement uniformément contrôlé
- Accélération
- Freinage par rétropropulsion
- Analyse cinématique
- Position en fonction du temps
- Optimisation énergétique
Capteurs :
- Caméra (vidéo exploitée dans le module d’analyse cinématique)
Matériel :
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 d'une fusée Falcon 9 (70 mètres); Cahier d'expérience FizziQ
Protocole expérimental :
1. Quel est le programme de descente d’une fusée Falcon 9 ?
2. Dans l’onglet Outils, sélectionne la Cinématique puis charge la vidéo Space X en copiant le lien que tu trouves à partir de la carte FizziQ, puis en le collant dans la carte Internet
3. Observe la vidéo en bougeant le curseur, quelle est cette séquence ?
4. Pour déterminer l’échelle, trouve sur internet la taille d’une fusée Falcon 9
5. En utilisant la fusée comme règle, place l’origine et l’extrémité de la règle puis entre sa taille
6. Dans l’onglet Pointage, change l’intervalle à 300 ms puis positionne les différents points du mouvement de la fusée
7. Ajoute la photo du pointage à ton cahier d’expériences
8. Dans Résultats, calcule la position et la vitesse et ajoute les à ton cahier d’expérience
9. Dans le cahier, trace le graphique des vitesses. Quel est selon toi l’objectif de vitesse qu’a programmé le constructeur ?
10. Si la vitesse est linéaire, quelle est la courbe suivie par la position ?
11. Vérifie ton intuition en étudiant le graphique de la position de la fusée//Ce programme de descente te paraît-il efficace ? Pourquoi ?
12. Ajoute ces données à ton cahier d’expérience 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 :
- 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 ?
Analyse scientifique
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 aérodiques pour stabiliser la fusée; 2) Une phase de freinage principal avec allumage de 3 des 9 moteurs Merlin; 3) Une phase finale à vitesse constante ou légèrement décroissante. C'est cette dernière phase qui est particulièrement visible dans la vidéo. La vitesse de descente finale est typiquement maintenue autour de 5-8 m/s jusqu'aux dernières secondes, où un ralentissement supplémentaire réduit la vitesse d'impact à environ 2 m/s. Cette stratégie de vitesse contrôlée plutôt qu'une décélération continue présente plusieurs avantages: elle permet une meilleure prédictibilité de la trajectoire, réduit les risques d'extinction des moteurs à faible poussée, et minimise la consommation de carburant. 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.
Variantes 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.
Activités et ressources associées
- Estimation de g par étude cinématique : Mesure de g par l’analyse cinématique d’une trajectoire parabolique.
- Plan incliné Galilée : Vérifier la loi de Galilée sur le plan incliné : la distance parcourue est proportionnelle au carré du temps, et l'accélération vaut g × sin(α).
- Décollage : Calcul de la vitesse de décollage d'un avion de ligne
- Football : Étude cinématique de la trajectoire et de la vitesse d’un ballon de football lors d’un tir au but
FAQ
Q: Qu'est-ce que le mouvement à vitesse contrôlée ?
R: L'atterrissage vertical contrôlé d'un premier étage de fusée Falcon 9 représente une prouesse technologique majeure de SpaceX.
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 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.