Le phénomène physique qui régit le fonctionnement
d'un parachute est la résistance que l'air oppose à
tout objet qui se déplace. Elle s'exprime en newtons et
se calcule à l'aide d'une formule quelque peu impressionnante
mais qu'on va s'employer à démysthifier (photo ci-dessous)
Expériences
Matériel nécessaire :
- une double rampe constituée de deux baguettes de soudure
fichée verticalement dans un socle en bois plus deux petits
bonshommes-parachutistes
- une soufflerie "de salle de bain"
- un tube de Newton et la pompe à vide qui va avec.
La formule de la résistance
de l'air est plus simple qu'il n'y paraît.
Le tube de Newton
1) influence de la densité de l'air
Plus l'air est dense, ou, plus précisémment, plus
sa masse volumique est importante, plus la résistance de
l'air sera grande. Dans le tube de Newton, un tube en verre très
résistant qui comporte un robinet à une extrémité,
sont enfermés deux objets de mêmes dimensions mais
de masses très différentes : une petite plume (duvet
de canard, par exemple) et une petite balle en plastique (jaune
sur la photo ci-dessus). En renversant le tube comme un sablier
on peut constater que la vitesse de chute de la plume est nettement
plus faible en présence d'air. Après avoir fait
le vide, on constate que les deux objets tombent à la même
vitesse. Question à poser au public : combien pèse
un mètre-cube d'air : 1,3 gramme, 130 grammes ou 1,3kg
? Réponse 1,293kg/m3 à la température de
0°C et sous une pression de 1013 hPa.
2) influence du coefficient aérodynamique Cx
Il n'est pas question de faire des mesures précises mais
simplement de montrer l'influence de la forme de l'objet se déplaçant.
Ici une balle de golf a été sciée en deux,
la face bombée (ou la face plane) est présentée
face au courant d'air produit par le sèche-cheveux. La
demi-balle (ou les deux demi-balles comme sur la photo ci-dessous)
sont enfilées sur une tige de cuivre pliée à
l'équerre et la force correspondant à la résistance
de l'air est retransmise sur le plateau du pèse-lettre.
En fait on mesure la différence de force exercée
par le levier sur le plateau avec et sans flux d'air appliqué
sur la balle.
Le support en bois est réalisé en fonction du matériel
utilisé.
La force exercée par
le souffle du sèche-cheveux est appliquée sur le
plateau du pèse-lettre
La déviation de l'aiguille est proportionnelle à
la résistance de l'air
Le cône à l'arrière de la balle diminue
nettement la valeur du Cx
3) influence de la surface présentée
au vent
L'expérience est facile à réaliser et à
comprendre. Pour faire participer le public on demande aux enfants
quel est le bonhomme qui tombera le plus vite, le rouge ou le
bleu. Les avis des enfants sont partagés.
On lâche les bonshommes d'abord sans parachute, puis en
ajoutant un petit parachute au rouge et enfin en ajoutant un grand
parachute au bleu.
Le corps d'un bonhomme est constitué d'un tube en alu coulissant
largement sur la baguette de soudure dressée verticalement.
Les parachutes sont deux rondelles de papier dont le trou central
est renforcé par un gros point de colle. Les deux baguettes
de soudure (acier cuivré) d'une longueur d'un mètre
sont plantées verticalement dans une planche de bois dur.
Le pliage de la rondelle de
papier lui donne une forme légèrement conique.
Les deux bonshommes sont lâchés
en même temps.
4) influence du carré de
la vitesse du vent
Pas d'expérience mais évocation du phénomène
que chacun a constaté en voiture : à 30km/h la force
du vent exercé sur la main passée par la portière
est 4 fois plus faible qu'à 60km/h. Du moins c'est l'impression
qu'on en a. Et si on roule à 90km/h la force est 9 fois
plus élevée.
Pour les chasseurs de radiosondes
On peut expliquer la forme très particulière de
la vitesse de chute en fonction de l'altitude en se souvenant
qu'à 18000m la masse volumique de l'air est 10 fois plus
faible qu'au niveau de la mer et qu'à 33000m elle est 100
fois plus faible. En supposant que la surface du parachute soit
la même à 33000m et en arrivant au sol, la vitesse
de chute stabilisée est théoriquement 10 fois plus
élevée à 33000m qu'au moment de l'impact
(racine carré du rapport des masses volumiques). C'est
ainsi qu'on peut observer des vitesses de chute supérieures
à 2000m/min qui se stabiliseront aux alentours de 200m/min
en arrivant au sol ; à condition que les restes de l'enveloppe
ne viennent pas s'emmêler avec les suspentes du parachute...
Pour le grand public
Il ne faut pas se laisser impressionner par une formule à
l'apparence rébarbative. On voit qu'un phénomène
physique complexe peut, la plupart du temps, s'expliquer de façon
simple.
La résistance de l'air est un phénomène que
l'on rencontre partout et tous les jours : déplacement
d'un véhicule, action du vent sur les cheminées
ou sur les arbres...
Terminer en lançant à la main un petit parachute
réalisé avec un sac poubelle (voir la réalisation
d'un petit parachute).
