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.