Le vol 0g (variation de g avec la vitesse et la trajectoire)

[Bastou]

Bonjour,

L'activité que je présente ici est une activité de transition entre le thème des mouvements et celui des interactions.

Le but est d'étudier les conséquences physiques auxquelles est soumis un objet lorsqu'il change de vitesse et/ou de direction ==> apparition (ou disparition) d'une pesanteur ou d'une gravitée artificielle notée g.

Prérequis :
- connaître les différents types de mouvement
- interpréter une chronophotographie
- savoir représenter graphiquement la vitesse d'un objet à l'aide d'un segment fléché
- savoir caractériser le mouvement d'un objet (direction, sens, valeur de la vitesse)
- savoir utiliser une échelle

Déroulement du cours :

I- On visionne avec les élèves une première vidéo dans laquelle on voit une personne dans sa voiture maintenir une banane contre le siège passager à l'arrêt.
Plusieurs informations sur la vidéo indiquent la vitesse de la voiture ainsi que la valeur d'une grandeur notée "g".
La voiture se met à accélérer, (on voit le compteur de vitesse augmenter et l'indication "g" également atteindre 0,6 g) et la banane reste plaquée contre le siège passager bien que le conducteur ne la tienne plus.
Au moment où la vitesse diminue, la banane tombe.
Les élèves sont questionnés sur ce qu'ils viennent de voir et le but est de leur faire remarquer que lorsque la vitesse de la voiture augmente, une sorte de pesanteur ou de gravité artificielle apparaît et plaque la banane au siège.
Cette gravité ou pesanteur artificielle est appelé "g". En général les élèves connaissent déjà les "g" et le font remarquer dès le premier visionnage de la vidéo.

II- On visionne une deuxième vidéo dans laquelle on voit un pilote de chasse faire un looping avec un verre d'eau à la main. L'eau reste au fond du verre même lorsque le pilote a la tête en bas.
Encore une fois on questionne les élèves sur ce qu'ils viennent de voir et le but ici est de leur faire comprendre que c'est le changement de direction de l'avion qui est à l'origine de l'apparition d'une gravité artificielle qui maintient l'eau dans le verre. Certains élèves sont sceptiques sur la véracité de cette dernière vidéo.

III- On réalise la même expérience en classe avec un bécher rempli d'eau que l'on place sur un support rigide et que l'on fait tourner avec des cordes. Les élèves aiment bien en général cette partie, ils sont surpris que le bécher reste bien sur le support et que l'eau reste bien dans le bécher bien qu'on fasse tout tourner au dessus de leur tête (ou presque).
Question aux élèves : à votre avis, la valeur de la gravité artificielle (ou pesanteur artificielle) qui maintient l'eau au fond du bécher vaut combien de "g" ? Est-ce que c'est + ou - de "g" que pour la banane qui est plaquée contre le fauteuil de la voiture de tout à l'heure ?
Pour vérifier les réponses que donnent les élèves, on remplace le bécher par un téléphone ou une tablette sur laquelle on a installé l'application phyphox qui permet de mesurer la norme d'une accélération.
On recommence l'expérience avec la tablette puis on projette le résultat au tableau pour analyser la courbe qui s'est dessinée pendant la manipulation.
On demande alors aux élèves d'identifier les phases du mouvement de la tablette à partir du graphique montrant l'évolution de la pesanteur :
1. la courbe indique une valeur de 1 g correspondant à la pesanteur ressentie par la tablette lorsqu'elle est immobile avant de la faire tourner
2. la courbe varie quelques fois entre 1,5 et 0,5 g correspondant à la pesanteur ressentie par la tablette au moment des premiers balancements
3. la courbe indique une valeur quasiment constante de 2 g correspondant au mouvement circulaire de la tablette
4. la courbe varie de nouveau entre 1,5 g et 0,5 g correspondant au moment où on arrête le mouvement circulaire
5. La courbe indique un retour à 1 g correspondant au moment où la tablette est de nouveau immobile

IV- Je questionne les élèves sur une situation dans laquelle un objet ne ressentirait plus aucune pesanteur et donc serait en impesanteur. Les élèves répondent en général "dans l'espace" puis je leur demande si c'est possible de recréer cet état d'impesanteur sur Terre. On enchaîne donc sur le vol 0 g.
Je leur fais visionner la vidéo qui décrit ce que c'est que le vol 0 g puis on regarde ensemble l'activité et ils se mettent au travail.
On réutilise les tablettes ensuite à la fin de l'activité pour vérifier les réponses données à la dernière question.
On parle également des dangers liés à une pesanteur trop importante avec des vidéos pour illustrer (perte de connaissance dans des avions de chasse ou de voltige et nécessité de s'entraîner dans une centrifugeuse).

V- Pour les élèves les plus rapides, je prévois une suite à l'activité (calcul de vitesse et relativité du mouvement).

Vous avez en pièces jointes l'activité sur le vol 0 g et sa suite. Je joins également une version plus "facile" pour les élèves en difficulté.

N'hésitez pas à me faire remonter vos remarques et améliorations.

Merci