S élever, prendre de la hauteur!

Collège George Sand Avord S élever, prendre de la hauteur! DEBAT-BLIN Juliette CUSANNO Lisa LAPORTE Christian GARNIER Ludovic BOYER Cécile CORIDUN Thibault SARAZIN Lucas WOLFF Anastasia

S élever, prendre de la hauteur! A l heure où l on ré-envisage la conquête de l espace, qui aurait pour objectif d envoyer une mission spatiale pour habiter sur d autres planètes comme Mars, nous vous proposons, élèves de la classe de 3ème 3 du collège George Sand à Avord, de revisiter les étapes qui ont permis peu à peu à l homme d évoluer dans notre atmosphère puis dans l espace. Tout d abord, au cours du 1 er trimestre, nous avons réalisé deux sortes de montgolfières. Puis, nous sommes en train de fabriquer une aile volante et nous pensons terminer l année par la réalisation d une fusée. Notre travail ne se limite pas à la réalisation de ces machines volantes mais consiste aussi à comprendre quels principes physiques permettent de s élever, de prendre de la hauteur Nous vous proposons donc le sommaire suivant : I- Construction de montgolfières (deux types de montgolfières ont été testées) 1- Une montgolfière fonctionnant grâce au soleil 2- Une montgolfière en papier de soie II- Construction d une aile volante (en cours de réalisation) III- Construction d une fusée (à l état de projet à l heure actuelle) I- Construction de montgolfières

Pour pouvoir réaliser un objet sphérique, c est-à-dire à trois dimensions, à base de feuilles, objets à deux dimensions, il faut découper des fuseaux réalisés à partir d un patron dont la forme a été préalablement calculée. Ces fuseaux vont ensuite être assemblés un à un pour pouvoir constituer cette enveloppe sphérique. Nous avons choisi de réaliser une montgolfière en papier de soie parce qu il résiste bien à la chaleur, est léger et diversement coloré, et l autre en polyéthylène noir, bon marché, puisqu il s agit du matériau des sacs poubelles. Vue de l intérieur de la montgolfière en papier

Nous avons construit un cercle en papier cartonné pour la montgolfière en papier de soie et un cercle en PVC (PolyChlorure de Vinyle) pour la montgolfière en sacs poubelles, pour maintenir ouverte l arrivée d air chaud. 1- Une montgolfière fonctionnant grâce au soleil On utilise la lumière du soleil pour chauffer l air qui se trouve à l intérieur du ballon. C est pour cela que l on a choisi un matériau noir afin qu un maximum de rayons lumineux soient absorbés et transformés en chaleur. Nous avons choisi comme matériau le sac poubelle parce qu il n est pas cher, qu il est flexible et résistant, même s il ne supporte que des températures modérées (environ 60 C), sinon il se rétracte! Pour que l enveloppe ne soit pas trop lourde, nous avons choisi d utiliser un plastique dont l épaisseur est de sept microns (sept millièmes de millimètre). Nous avons fait les calculs pour savoir combien ferait la taille de la montgolfière en fonction du plastique utilisé. Les calculs ont été réalisés à l aide d un tableur

Nous avons fait un exemplaire de fuseaux en papier cartonné, pour, à partir de ce modèle, couper les sacs poubelles de la forme du fuseau. Après, nous avons coupé les sacs poubelles pour en faire des fuseaux puis les avons soudés à l aide d un décapeur thermique. Après la soudure, nous avons relié les sacs poubelles pour fabriquer son enveloppe. Technique de soudure du polyéthylène au décapeur thermique Nous avons ensuite gonflé notre montgolfière à l aide du décapeur en puissance deux pour vérifier s il n y avait pas de trous, mais nous avons observé qu il y avait un certain nombre de trous donc nous avons dégonflé la montgolfière et avons rebouché ces trous grâce à la colle PVC.

2- Une montgolfière en papier de soie Nous avons commencé par coller deux feuilles de papiers de soie entre elles afin d avoir une surface suffisante pour y découper un fuseau. Nous avons par la suite tracé le contour du fuseau sur le papier de soie de différentes couleurs, qui avait été présélectionné, afin d obtenir une montgolfière colorée. Après avoir tracé les douze fuseaux, nous les avons découpés avec des ciseaux. Nous avons par la suite assemblé les douze fuseaux, en les collant. Pour le collage des douze fuseaux, ils étaient placés bord à bord, en laissant seulement un centimètre pour mettre de la colle. Ensuite, nous avons rabattu le bord qui est collé par-dessus celui qui n est pas collé. Nous avons créé un cercle avec du papier cartonné. Le papier cartonné fait un centimètre de largeur. Après avoir tracé les bandes et les avoir découpées, nous les avons collées tout au long du bord du cercle. Afin que la chaleur ne s échappe pas, nous avons mis un bout de ficelle qui relie le haut des fuseaux.

Une fois terminée Principe de fonctionnement de la montgolfière : Les montgolfières sont soumises à trois forces : - La poussée d Archimède qui est dirigée vers le haut. - Le poids de l enveloppe qui est dirigé vers le bas. - Le poids de l air contenu dans l enveloppe qui est dirigé vers le bas. Calculs des bilans des forces pour les montgolfières

Les résultats des calculs effectués sur tableur : La montgolfière en papier de soie : Masse volumique de l air Kg par m³ 1.15 Kg par m³ Masse volumique de l air Kg par m³ en extérieure 1.19 Kg par m ³ Masse montgolfière 0.225 Kg Température intérieure 30 C Température extérieure 18 C Calcul du poids de toute la montgolfière 11.51 Newton Mesure du poids de toute la montgolfière 0.7 Newton Poids total 12.21 Newton Calcul de la poussée d Archimède 11.99 Newton Bilan des forces -0.22 Newton Masse transportable -22.5 Grammes La montgolfière Masse volumique de l air Kg par m³ 1.15 Kg par m³ Masse volumique de l air Kg par m³ en extérieure 1.21 Kg par m³ Masse montgolfière 0.225 Kg Température intérieure 30 C Température extérieure 15 C Calcul du poids de toute la montgolfière 46.06 Newton Mesure du poids de l enveloppe 2.25 Newton Poids total 48.31 Newton Calcul de la poussée d Archimède 48.46 Newton Bilan des forces 0.14 Newton Masse transportable 14.94 grammes solaire : Résultats : Les valeurs calculées ne correspondent pas à nos mesures attendues. Toutes les forces mesurées avec un dynamomètre dépassent celles calculées d environ 0,4 Newton. Nos calculs peuvent ne pas être exacts et les mesures des températures peuvent être erronées. Il peut aussi y avoir des courants chauds qui pourraient se produire à l extérieur de l enveloppe et alléger le ballon comme le montre le schéma ci-contre.

Les difficultés rencontrées : Nous avons rencontré beaucoup de difficultés : Pour commencer, la plupart des plastiques n étaient pas appropriés parce que certains étaient trop lourds et n auraient pas permis à la montgolfière de décoller. La fixation du dernier fuseau a été un calvaire Il a fallu placer le reste des fuseaux de façon à ne pas les brûler. Les fuseaux n étaient pas tous bien fixés, donc une fois la montgolfière achevée, il y avait des trous. Pour les reboucher, il a fallu la gonfler pour mieux repérer les trous puis les ressouder en veillant à ne pas abîmer le reste du ballon. Nous avons essayé plusieurs techniques pour souder les sacs poubelles et la meilleure d entre elles était de pincer les deux bords pour les chauffer au décapeur thermique. Nous sommes actuellement en train de comprendre comment une aile d avion peut flotter et s élever dans l air, afin de réaliser un engin volant plus dense que l air