I. La vitesse :

 

         

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

         

     Lorsque Félix Baumgartner se lance de sa capsule, sa vitesse initiale est nulle. L'Autrichien est soumis à une phase d’accélération dans laquelle il atteint la vitesse de 1361 km/h en 50 s. En 20 s il dépasse les 700 km/h puis passe le mur du son pour arriver dans le domaine supersonique en moins de 40 s.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

     Pendant cette phase d’accélération, sa vitesse ne va pas croitre régulièrement : tout d’abord sa position lors du saut va jouer un rôle. Par exemple, pour les parachutistes lors de leur chute libre, le piquet négatif (position qui consiste à se mettre tête vers le sol et mains en avant) leur permet d’atteindre des vitesses d’environ 320 km/h ; au contraire leur position habituelle ne leur permet pas de dépasser les 200 km/h.

 

     De plus, Félix Baumgartner se rapproche de la Terre : cela signifie donc que les forces qu’il subit s‘intensifient. La densité augmente, de même plus on se rapproche de la Terre plus la gravité devient importante.

 

 

II. Expérience de la bille :

 

           Cette expérience modélise une chute libre sur une distance de 1 mètre (ou moins) : distance qui permet de négliger les frottements (car trop petite pour les prendre en compte).

 

         Pour cela nous avons besoin d’une bille de plomb (jouant le rôle de l’objet en chute libre), d’un chrono capteur (pour calculer la vitesse de la bille de plomb) qui est placé sur une règle gradué (de 0 à 1 mètre).

 

 

 

-Première mesure à 1 m :

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

-Sixième mesure à 0,5 m :

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Les résultats obtenus sont les suivants :

 

         

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

     

    

 

 

 

 

 

 

 

                     

                                                                                               Isaac Newton(1643-1727)

 

    La phase d’accélération de Félix Baumgartner peut être comparée à l’expérience de la bille de plomb : les deux chutes libres ont des points communs.

 

 

III. La pression atmosphérique et l'expérience de la planche de bois :

 

 

          L’expérience de la planche de bois nous montre un des effets de la pression atmosphérique sur la Terre.

 

Pour cela nous avons besoin d’une latte de bois et d’un papier journal très bien lissé. On superpose le papier journal sur la latte (pour qu’il n’y ait pas d’air entre les deux objets) : le but est de casser la latte sans que le papier journal ne bouge.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

     La latte se casse car la pression sur le journal est d’environ 1000 tonnes. Sur Terre (au niveau de la mer) la pression atmosphérique est de l’ordre de 1000 hPa (hectopascal : unité de la pression) : mais elle diminue avec l’altitude, d’un facteur de 10 pour 16 km.

Par exemple en haut du Kilimandjaro (5000 m), la pression n’est plus que de 540 hPa.

Enfin, à 40 000 km (altitude du saut de Félix Baumgartner), la pression est d’environ 3 hPa.

La pression atmosphérique est donc trop faible à 40 km d’altitude pour jouer un rôle majeur dans l’accélération de Félix Baumgartner.

 

IV. La masse et l'expérience du tube de Newton

 

 

        

 

 

 

 

 

 

 

                                                                                                           Galilée (1564-1642)

 

Et son vœu se réalise quand Dave Scott, un astronaute en mission sur la lune jette une plume et un marteau en plomb. Le résultat confirme les pensées de Galilée : la plume et le marteau chutent en même temps.

     

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Nous avons choisi pour notre étude de faire l’expérience du tube de Newton. Cette expérience permet de prouver les affirmations de Galilée en reproduisant l’observation de Dave Scott à plus petite échelle.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

      L’expérience consiste  à choisir deux objets qui n’ont pas la même masse, les introduire dans un tube et le retourner rapidement. Nous avons choisi de faire l’expérience avec une plume et une bille d’acier. Evidemment on peut observer que la bille tombe plus vite et arrive avant la plume.

 

      La deuxième étape consiste à faire le vide dans le tube grâce à une pompe qui aspire l’air puis de recommencer la manœuvre. On observe alors que la bille et la plume tombent en même temps.

 

       La première expérience fait référence à des objets qui chutent dans l’atmosphère terrestre, ces objets subissent la résistance de l’air qui s’oppose à un mouvement vertical vers le bas. Nous savons que les objets ayant une masse plus importante résistent mieux aux frottements de l’air, c’est pourquoi notre bille de plomb arrive avant la plume, cette dernière subissant davantage les frottements de l’air est plus freinée et arrive donc après la bille de plomb.

 

      La deuxième expérience fait référence à des objets qui chutent dans le vide, un milieu où la résistance de l’air est inexistante. Les deux objets ne subissent donc pas les frottements. Il est donc cohérent que leurs masses différentes n’influent en rien leur vitesse. Effectivement les deux objets touchent le fond du tuyau simultanément.

 

     

 

 

 

 

                                                                                            

                                                                                      

                                                                                       

 Simon et le tube de Newton

 

 

V. Le coefficient de frottement :

 

     Nous avons voulu calculer le coefficient de frottement, pour déterminer la présence ou non des frottements de l’air pendant la phase d’accélération.

 

Nous avons utilisés la formule :

 

 

avec :

• v : vitesse (en m/s)

• g : accélérateur de pesanteur (valeur moyenne à la surface de la Terre)               (= 9,81 m/s)

• t : temps (en s)

• k : coefficient de frottement (en s/m)

 

donc :

 

 

 

 

 

 

 

Exemple : pour une vitesse v de 195,83 m/s ; un temps t de 20 s et une accélération de la pesanteur g de 9,81 m/s.

K= - (195,83-9,81x20)/(195,83)x(195 ,83)

K=1,017x10-5

 

Après avoir isolé k, nous avons remplacé les lettres v, g, t par les valeurs du saut, on obtient donc :

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Nous observons qu’avant 50 s de chute, les frottements sont presque inexistants. Pour 20 s, ils sont de l’ordre de 9.0x10-6 et à 50 s de 7,0x10-4.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

         Sur ce graphique nous voyons que les frottements sont les déclencheurs de la décélération car ils deviennent importants après 50 s de chute libre (phase finale de l’accélération). Ils grandissent plus rapidement après 150 s de chute, lorsque Félix Baumgartner entre dans la troposphère (à partir de 10 km d’altitude). On peut en déduire que lorsque l’Autrichien chute, les forces de frottements n’influent vraiment qu’à partir d’environ 1 minute.

 

 

VI. La pesanteur :

 

         Pour finir, aucune des forces précédemment étudiées ne jouent un rôle dans l’accélération de Félix Baumgartner. Or selon la première loi de Newton sur la chute libre « sans force subie, la vitesse d’un objet ne change pas ». A 39 000 m d’altitude la perte de gravité est insignifiante : elle est de -1,2% (vu précédemment), le poids est donc presque inchangé. Félix Baumgartner subit alors l’attraction de la gravité terrestre, qui lui permet d’atteindre des vitesses stratosphériques et de dépasser le mur du son.