Transcript Notions et contenus abordés :Conservation de la qua de propulsion

Temps et mouvement – Dynamique Newtonnienne
Activité expérimentale
– PROPULSION PAR REACTIONNotions et contenus abordés :Conservation de la quantité de mouvement d’un système isoléisolé Interprétation d’un mode
de propulsion par réaction.
Contexte du sujet
Une fusée en astronautique est un véhicule qui se déplace dans l'espace grâce à un moteurmoteur
fusée en emportant à la fois le combustible et le comburant nécessaires à son
fonctionnement. Une fusée comprend plusieurs étages pour maximiser sa capacité d'emport.
Les plus grosses fusées construites, comme Saturn V, permettent de placer jusqu'à 150 tonnes
en orbite basse.
Objectif : Expliquer à l’aide d’un modèle simple, le principe physique du décollage d’une
fusée.
La fusée Ariane 5 au décollage
Informations :
Documents techniques.
•
•
•
Masse au décollage : 780 t.
Hauteur : 52 m
3 moteurs activés au décollage : 2 propulseurs à poudre et
Vulcain.
2 PAP (propulseur à poudre)
- fonctionnent pendant 130 s puis largués
-1
- gaz éjectés:: vitesse 2800 m.s , et la
-1
consommation est c 3,65 t.s .
Vulcain :
- moteur cryotechnique H2 et O2 liquides
- fonctionne pendant 589 s
-1
- gaz
az éjectés à v
4000 m.s ;
-1
« consommation » c 270 kg.s
MODELISATION DU PHENOMENE EN LABORATOIRE
1°- Protocole expérimental.
On a constitué deux mobiles en fixant sur deux plaques minces des barreaux
aimantés. Les mobiles ont une masse de 392 g et de 198 g.
Ils sont maintenus l’un contre l’autre sur une table soufflante horizontale.
On
n les lâche simultanément et ils se mettent en mouvement.
Cette séquence est filmée. (vidéo nommée « propulsion (2) avi »)
On considère que la mise en mouvement des mobiles est une propulsion par
réaction.
1. Par quoi sont modélisés la fusée et les gaz ? Préciser.
2. Comment doivent-être
être orientés les aimants (nature des pôles) afin de reproduire le phénomène qui a lieu lors
du décollage ?
La séquence vidéo sera analysée par l’intermédiaire du logiciel Généris.
2°- Analyse de l’enregistrement.
•
•
•
Relever les positions occupées au cours du temps par les deux marques blanches positionnées chacune sur
une partie du système.
Afficher les courbes x1 = f(t) et x2 = f(t). (Le
Le mouvement étant rectiligne, seul l’axe des axes suffit à le décrire ;
décocher les autres graphiques)
Modéliser les nuages de points expérimentaux pour en déduire la valeur de la vitesse de chaque partie du
système.
3°- Étude expérimentale de la quantité de mouvement.
a- Associer à chaque mobile sa masse. (Justifier)
b- Calculer les quantités de mouvement p1 et p2 des deux mobiles. Que constate-t-on (tenir compte des
incertitudes)?
c- Représenter les vecteurs correspondants sur la capture d’écran (Sur les positions A et B ; voir l’annexe)
3°- Étude théorique de la quantité de mouvement.
On considère le système formé par l’ensemble des deux mobiles.
a- Faire l’analyse des forces extérieures qui agissent sur le système à l’instant où les deux parties du système se
séparent.
b- Appliquer la 2ème loi de Newton à l’instant où les deux parties du système se séparent. Que peut-on en déduire
théoriquement quant à la quantité de mouvement du système ?
c- Les observations expérimentales sont-elles en accord avec cette déduction ?
RETOUR A LA FUSEE : EXPLIQUER LA PROPULSION
L’expérience précédente permet de comprendre la propulsion d’une fusée. En simplifiant la situation, c’est à dire en
supposant que le système (fusée-gaz éjectés) est isolé, on peut appliquer la conservation de la quantité de
mouvement à l’ensemble (fusée-gaz éjectés).
a- Calculer la vitesse atteinte par la fusée en fin de fonctionnement des PAP.
b- En analysant les actions qui s’exercent entre les composants du système (fusée-gaz éjectés), expliquer
pourquoi on nomme ce mode de propulsion : « propulsion par réaction ».
Annexe :
# Dans l’onglet paramétrage, indiquer le nombre de points dont les positions
seront relevées (à savoir 2 points)
# Sélectionner l’onglet étalonnage
# Positionner l’origine (voir capture d’écran)
# Etalonner (Avancer jusqu’à l’image 28 ; l’aimant de gauche mesure 20 cm)
# Cocher « L’image associée au repère constitue l’origine des dates »
# Choisir un zoom « x4 »
# Réaliser l’enregistrement des positions des deux marques blanches. (Pointer le
centre des taches) à partir de l’image 28.