Quels paramètres influent sur le vol des montgolfières?
TPE - Mathématiques, Physique - Matière et forme
Objet d’étude : le vol des montgolfières
L’idée de naviguer dans les airs est un des plus vieux rêves de l’humanité. Depuis la légende d’Icare dans la mythologie grecque, l’homme a fait preuve de beaucoup d’imagination. Si Icare s’est brulé les ailes en voulant s’approcher trop près du soleil, beaucoup d’autres légendes ont inventé des êtres fabuleux qui volaient : dans les fables d’Esopes des jeunes gens chevauchent des vautours, dans les légendes de Persée volait Pegase le cheval ailé, ou encore en Orient les hommes volaient sur des tapis orientaux.
Il faut attendre la Renaissance, au début du XVIème siècle, pour qu’un génie extraordinaire, Leonard de Vinci, propose des solutions concrètes pour voler. Il fut le premier à résoudre en théorie le problème du vol humain. Il dessina conçut et dessina ainsi des engins auxquels ne manquait qu’un moteur pour qu’ils puissent voler. En 1678, les annales relatent le premier vol humain connu et vérifié : celui du Français Besnier, modeste serrurier, qui réussit à voler en actionnant des ailes en forme de balanciers.
En 1782, Lalande et quelques savants de l'époque démontrent, preuves à l'appui, qu'il est impossible qu'un homme puisse s'élever dans les airs et s'y maintenir. Mais l'année suivante, le 19 septembre 1783, les frères Montgolfier feront la démonstration du contraire et de nos jours il existe toujours des montgolfières.
Situation de notre objet d’étude
Notre sujet porte sur les montgolfières mais quelques références aux autres ballons pourront être données en complément si nécessaire. Contrairement aux aérodynes qui utilisent des forces mécanique ou aérodynamiques pour voler, les montgolfières sont des aérostats qui sont capables de voler immobiles.
Thème spécifique du TPE : « Matière et Forme »
La montgolfière est un ballon à air chaud porté par le vent. Elle flotte dans l’air et suit la vitesse et la direction du vent. L’objectif de ce TPE est d’étudier le principe et les conditions de flottabilité des montgolfières.
Problématique : Quels paramètres influent sur le vol d’une montgolfière ?
L’homme cherche toujours à aller plus haut, plus loin, plus vite… Il est donc intéressant d’étudier les paramètres qui influent sur le vol des montgolfières pour voir ensuite comment leurs actions ont pu être optimisée pour permettre de créer de nouveaux types de montgolfières toujours plus performantes.
L’objectif de cette étude est de déterminer un ensemble de paramètres, c’est-à-dire de variables physiques dont les changements de valeurs ont une action sur le vol. Ce travail porte sur l’analyse des paramètres liés aux principes physique (ex : température de la chaleur nécessaire pour voler) et non aux développements des solutions techniques mises en œuvre (ex : fonctionnement moteur pour produire la chaleur).
La démarche scientifique adoptée repose à la fois sur des observations, des expériences et des interprétations théoriques. Elle est développée selon 4 rubriques complémentaires :
Historique et observation de vols réels de montgolfières
=> Résultat : proposition d’une liste de paramètres qui agissent sur le vol
Expérience 1 : Quels paramètres agissent dans le vol des montgolfières ?
Tests de l’action de paramètre sur des maquettes de montgolfière.
=> Résultat : conditions et interdépendances des paramètres
Expérience 2 : Comment les paramètres agissent-ils?
Tests du phénomène physique qui permet aux montgolfières de voler pour comprendre l’action des différents paramètres.
=> Résultat : définition de l’action des paramètres
Présentation des notions théoriques
=> Résultat : formules mathématiques des paramètres
Vérification théorique et analyse des résultats d’expériences
=> Résultat : calculs théoriques des paramètres et analyse scientifique du vol
Observation d’exemples de montgolfières qui optimisent leur vol.
=> Résultats : exemples d’optimisation d’action des paramètres
Le saviez-vous?
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