Vol parabolique
Simuler un vol parabolique pour observer l’apesanteur
Lorsqu’un objet est lancé en l’air, il suit une trajectoire courbe appelée trajectoire parabolique. Pendant une partie de ce mouvement, l’objet est en chute libre : il n’est plus soutenu par aucun support et n’est soumis qu’à la gravité. Dans cette situation particulière, tous les objets tombent de la même façon et semblent flotter les uns par rapport aux autres. Ce phénomène correspond à une situation d’apesanteur, semblable à celle vécue par les astronautes dans les avions effectuant des vols paraboliques ou à bord de stations spatiales. Dans cette activité, l’élève utilise l’accéléromètre d’un smartphone pour enregistrer l’accélération pendant un lancer vertical au-dessus d’une surface sécurisée. L’analyse du signal permet de mettre en évidence la phase de chute libre pendant laquelle l’accélération mesurée devient proche de zéro. Cette expérience permet de comprendre que l’apesanteur ne signifie pas absence de gravité, mais absence de support.
Résumé :
L’élève lance délicatement un smartphone au-dessus d’une surface amortissante tout en enregistrant l’accélération avec l’application FizziQ. Pendant la phase de vol libre, l’accéléromètre indique une accélération proche de zéro, caractéristique d’une situation d’apesanteur. L’analyse du graphique permet d’identifier les différentes phases du mouvement.
Niveau :
Auteur :
Durée :
Lycée
FizziQ
20-30 minutes
Objectif pédagogique :
- Comprendre la notion de chute libre
- Mettre en évidence une situation d’apesanteur
- Utiliser un accéléromètre pour mesurer un mouvement
- Identifier les différentes phases d’un mouvement parabolique
- Comprendre le lien entre chute libre et microgravité
Concepts scientifiques :
- Chute libre
- Apesanteur
- Mouvement parabolique
- Accélération
- Gravitation
- Référentiel
- Principe d’équivalence
- Microgravité
Capteurs :
- Accéléromètre
Matériel :
- Smartphone avec l'application FizziQ
- Un matelas ou une surface moelleuse pour réceptionner le smartphone en sécurité
- Un espace dégagé
Protocole expérimental :
Résultats attendus
Le graphique d’accélération montre une valeur élevée au moment du lancement, correspondant à la force exercée par la main. Pendant la phase de vol libre, la valeur mesurée devient proche de zéro. Au moment de l’impact avec le matelas, une forte accélération est observée. Cette phase correspond à la réaction du support lors du contact.
Questions scientifiques :
- Pourquoi l’accéléromètre indique-t-il une valeur proche de zéro pendant la chute ?
- Pourquoi observe-t-on une forte accélération lors de l’impact ?
- Quelle est la différence entre chute libre et absence de gravité ?
- Pourquoi parle-t-on d’apesanteur alors que la gravité est toujours présente ?
- Comment ce phénomène est-il utilisé dans les vols paraboliques ?
Analyse scientifique
L'expérience du vol parabolique simule à petite échelle le phénomène utilisé par les avions "Zero-G" pour créer des conditions d'apesanteur temporaire. Ce phénomène repose sur un principe fondamental de la physique: un objet en chute libre ne "ressent" pas la gravité. L'accéléromètre d'un smartphone mesure non pas directement la gravité, mais la force de réaction que le support exerce sur l'appareil. Au repos sur une table, il détecte une accélération d'environ 9,8 m/s² orientée vers le haut, correspondant à la force normale qui s'oppose au poids. Lorsque le smartphone est lancé en l'air, il entre en chute libre sous l'influence exclusive de la gravité. Dans ce référentiel non inertiel (le smartphone lui-même), tous les objets semblent flotter, car ils subissent exactement la même accélération. C'est pourquoi l'accéléromètre indique une valeur proche de zéro pendant la phase de vol libre. Ce n'est pas que la gravité a disparu, mais plutôt que ses effets ne peuvent plus être mesurés par un accéléromètre en chute libre avec elle. Ce phénomène illustre le principe d'équivalence d'Einstein, fondement de la relativité générale: il est impossible de distinguer localement entre un effet gravitationnel et une accélération équivalente dans la direction opposée. Les avions réalisant des vols paraboliques pour l'entraînement des astronautes ou des expériences scientifiques suivent précisément cette trajectoire: ils montent en cabrant fortement, puis réduisent la poussée des moteurs pour suivre exactement la trajectoire naturelle d'un corps en chute libre pendant 20-25 secondes, créant à l'intérieur une apesanteur parfaite. De même, la Station Spatiale Internationale est constamment en chute libre autour de la Terre, d'où l'état d'apesanteur permanent de ses occupants, malgré une gravité encore égale à environ 90% de celle à la surface terrestre à cette altitude (400 km).
Variantes possibles
- Réaliser plusieurs lancers à différentes hauteurs
- Comparer les résultats avec un lancer plus ou moins rapide
- Étudier la durée de la phase de chute libre
- Réaliser l’expérience avec différents types de surfaces amortissantes
- Comparer les résultats obtenus avec différents smartphones
Activités et ressources associées
- Galilée : Calcul de la valeur g par analyse de la chute libre
- Estimation de g par étude cinématique : Mesure de g par l’analyse cinématique d’une trajectoire parabolique.
- L'ascenseur d'Einstein : Explorer le principe d'équivalence d'Einstein avec l'accéléromètre du smartphone.
- Fusée Space X : Analyse cinématique de la vitesse de descente d’une fusée Falcon 9 lors d’un atterrissage contrôlé
FAQ
Q: Qu'est-ce que la chute libre ?
R: La chute libre est le mouvement d’un objet soumis uniquement à la gravité.
Q: Pourquoi l’accéléromètre indique-t-il zéro en chute libre ?
R: Parce qu’il mesure les forces exercées par un support, qui disparaissent pendant la chute.
Q: Qu’est-ce que l’apesanteur ?
R: C’est une situation où aucun support n’exerce de force sur un objet.
Q: Pourquoi faut-il utiliser un matelas ?
R: Pour éviter d’endommager le smartphone lors de la réception.
Q: Ce phénomène existe-t-il dans l’espace ?
R: Oui, les astronautes en orbite sont en chute libre permanente.
Q: Cette expérience est-elle sûre ?
R: Oui, à condition d’utiliser une surface amortissante et un lancer modéré.