Mise en évidence de la dilatation de l'air

Ci-dessus, une expérience qui met en évidence la dilatation de l'air.

Matériel requis:
-De l'eau chaude
-Une bassine
-Une bouteille reliée à un ballon de baudruche

Protocole:

Plonger la bouteille dans la bassine d'eau chaude.
Le ballon de baudruche se gonfle.


Explication:

En chauffant, l'air se dilate et prend plus de place. Comme il est plus léger quand il est chaud, l'air monte et gonfle le ballon.

Mise en évidence de la densité.

Ci-dessus, une expérience qui met en évidence la densité.

Matériel requis:
-Du sel
-De l'eau
-Un verre
-Un oeuf
-Un agitateur

Protocole:

L'oeuf est plongé dans l'eau, on peut remarquer qu'il coule.
On ajoute du sel jusqu'à saturer l'eau (cristaux de sel au fond de l'eau).
L'oeuf se met à flotter.


Explication:

En ajoutant du sel, on augmente la densité de l'eau, celle-ci devient plus lourde que l'oeuf qui s'élève donc.

Bibliographie & Sitographie

Sitographie/Bibliographie

• © Wikimedia Foundation, Inc., http://fr.wikipedia.org/ , 21 août 2009, consulté en 2010-2011,

• © « Les Petits Débrouillards de Bretagne », http://www.wikidebrouillard.org/ , 01 mai 2009, consulté en 2010-2011,

• ©Montgolfière Aventure, http://www.montgolfiereaventure.com/fr/ , consulté en 2010-2011,

• Arnaud Deramecourt, http://aerostation.free.fr/ffa/montgolf.shtml , 03 avril 2002, consulté en 2010-2011,

• ©Dominique et Michèle Frémy, Le Quid 2004, Edition Robert Laffon, Catégorie : Transports aériens, Types de ballons, Ballons à air chaud, p.1823

Bilan

La montgolfière peut voler grâce au bilan des forces du poids et de la poussée d’Archimède. L’air chaud contenu dans son ballon est plus léger que l’air ambiant, ce qui provoque la poussée d’Archimède. Une fois que le gaz du ballon à atteint la température de 80,9 °C, la force résultante permet enfin de faire décoller du sol la montgolfière, qui ne dispose plus que de cet unique moyen technique pour être pilotée. Cependant, les déplacements de la montgolfière sont facilités par les déplacements de l’air. Le pilote doit donc piloter l’appareil en prenant en compte ces déplacements qui peuvent faciliter le pilotage.

Phénomènes S.V.T

La montgolfière est soumise aux phénomènes scientifiques de différentes manières. En effet, le pilote de montgolfière ne peut choisir réellement la trajectoire du vol et se déplace en fonction du vent. Il doit changer d’altitude pour adapter le climat à sa trajectoire. En effet, la montgolfière ne possède pas de système de direction, le pilote est obligé de faire varier l’altitude du ballon et de suivre les vents. Pour changer d’altitude, il peut chauffer l’air de la montgolfière et ainsi s’élever ou bien en libérer pour baisser son altitude.

De plus, la météorologie augmente le risque lors d’un vol.

On peut démontrer l’existence du vent au quotidien : en ouvrant une porte, on crée un courant d’air, en posant une plume sur un radiateur, celle-ci décolle. Ces deux phénomènes expliquent les déplacements de masse d’air sur Terre :

L’air chaud monte naturellement grâce à l’action du soleil, il se déplace avec les vents (différence de pression) et refroidit. L’air froid étant plus lourd que l’air chaud, il descend, chauffe au contact du sol (et sous l’action des rayons solaires). Ceci de manière cyclique.

En effet, contrairement à ce que l’on peut penser, l’air en altitude est très froid (-6°C tous les 100m). L’atmosphère est transparente au rayonnement solaire, donc, plus on s’élève, moins l’air subit l’action du soleil et plus on s’élève, plus il fait froid. Les couches les plus éloignées de la Terre sont aussi les plus froides.

Calcul de la température de l'air d'une montgolfière

On veut savoir la température nécessaire de l'air contenu dans le ballon
de la montgolfière pour qu'elle s'élève:

On se place à température T_a = 15,00°C et à pression atmosphérique P_i= 1,013 .10⁵ Pa

Alors masse volumique air (ρ _air)

ρV=nRT (relation des gaz parfaits)

ρ=nRT/V

ρ= 1,218 kg.m^-3

Le volume d’air déplacé par la montgolfière V_d est assimilé au volume du ballon, V_b =2200 m³

D’où V_d=V_b=2200 m³

On calcule la valeur de la masse totale de la montgolfière m_m, sachant que :

P = m.g, Pa = ρ.V.g, avec ρair = 1,218 kg.m^-3

P= P_a

m_m . g = ρ _air .V_d . g

m_m = ρ _air .V_d

m_m = 1,218 . 2200

m_m = 2680 kg

On pose m_t = 500,0 kg la masse totale des éléments constituants la montgolfière (nacelle, enveloppe, brûleurs, réserve de gaz, etc.)

On calcule la masse d’air de la montgolfière m_air, sachant que :

mm = 2680 kg et mt = 500,0 kg

m_air = m_m – m_t

m_air = 2680- 500,0

m_air = 2180 kg

On calcule la température T correspondante à la masse volumique air (ρ _air), sachant que :

R=8.314 S.I. ; M_air = 28.8 g.mol^-1 ; mair = 2180 kg ; Pi = 1,013 .10⁵ ; Vb = 2200 m³

P_i.V_b = n_air .R. T

T = (Pi.Vb / (n_air.R)

T = (PiVb / ( (m_air / M_air) .R)

T = (1,013 .10⁵. 2200) / ((2180.10³/ 28,8). 8,314)

T = 354 °K

T = 354 – 273,15 °C

T = 80,9 °C

Les Phénomènes physiques

La montgolfière est soumise à plusieurs forces qui lui permettent de voler. La première le poids :
Le poids est une force liée à la masse de l’objet, c’est l’attraction exercée par la Terre sur tout objet à la surface et aux alentours de la planète. C’est une force à distance répartie qui s’applique sur le centre de gravité du receveur.

La seconde force qui s'applique sur notre système est la poussée d'Archimède :
La poussée d’Archimède est une force de contact répartie. Tout corps immergé dans un fluide (un liquide ou un gaz) subit une poussée verticale vers le haut.
Quand la valeur de la poussée d’Archimède est supérieure au poids exercé sur un objet, cet objet vole (schéma ci-contre).
On calcule ces valeurs grâce aux formules suivantes :
P = m * g

Où P est le poids, m est la masse du receveur et g est la valeur de l'intensité de pesanteur terrestre.

π = ρ*V*g

Où π est la valeur de la poussée d'Archimède, ρ est la valeur de la masse volumique du fluide, V est le volume déplacé par le fluide et g est la valeur de l'intensité de pesanteur terrestre.