Question centrale

Comment la taille et la forme d'un objet influent-elles sur la vitesse de sa chute dans l'air ?

Matériel requis

• Deux feuilles de papier identiques
• du ruban adhésif
• Une règle ou un double-mètre pliant

Idées principales et notions de base

• Lorsqu'un objet se déplace dans l'air, il doit pousser les molécules d'air hors de sa trajectoire. Cela crée une résistance aérodynamique, ou traînée, sur l'objet en mouvement.
• Un objet qui se déplace vite rencontre une résistance aérodynamique plus importante qu'un objet qui se déplace lentement, car il doit exercer une pression plus forte pour écarter rapidement les molécules d'air de son chemin.
• Un objet ayant une large section transversale rencontrera une traînée plus importante qu'un objet ayant une petite section transversale, parce que les molécules d'air doivent parcourir une plus longue distance pour s’écarter de sa trajectoire.
• Un objet qui tombe avec une forte résistance aérodynamique se déplacera moins vite qu'un objet de même poids (ou de même masse) rencontrant une faible traînée lors de sa chute. Cela est dû au fait que la traînée oppose une résistance au mouvement de l'objet qui tombe.

Conseils sur le déroulement de l'expérience

• Utilisez des feuilles de papier format A4. Ce format est pratique parce qu’il permet de plier la feuille quatre ou cinq fois.
• Il est important que les mesures soient exactes quand il est question de variables. Les deux bouts de ruban adhésif doivent être exactement de la même longueur, soit de cinq centimètres. Utilisez un des deux bouts de ruban adhésif pour maintenir la première feuille pliée et collez l'autre sur la seconde feuille avant de la froisser.
• Pour que les résultats soient cohérents entre eux, les élèves doivent aligner les deux feuilles de sorte que le bas de celles-ci se trouve au même niveau avant de les lâcher.
• Soyez attentifs au bruit que font les deux feuilles en tombant sur le sol. Si l'intervalle de temps entre les deux n’est pas suffisamment espacé, essayez de lâcher les deux feuilles d'un peu plus haut. Lors de notre expérience, nous avons dû les lâcher d'une hauteur supérieure à un mètre pour pouvoir les entendre toucher le sol à des moments différents.

Discussion

1. Les deux feuilles ont-elles touché le sol au même moment ? Justifiez votre réponse. (La feuille pliée a touché le sol avant la feuille froissée. Bien que les feuilles de papier aient le même poids, la feuille froissée subit une plus grande résistance aérodynamique, et tombe donc plus lentement.)

2. Pourquoi la feuille de papier froissée a-t-elle une plus grande résistance aérodynamique ? (Sa traînée est supérieure parce qu'elle est plus large et qu'elle possède une section transversale plus importante. En termes plus simples, l'air doit parcourir un trajet plus long pour s'écarter de sa trajectoire. La feuille ne peut pas tomber tant que l'air ne s'écarte pas de son chemin.)

3. Selon vous, que se passe-t-il si vous lâchez les feuilles de plus haut ? De plus bas ? (Si nous les lâchons de plus haut, l'intervalle de temps entre le moment où la première feuille et la seconde touchent le sol sera plus long. Alors que si nous les lâchons de plus bas, nous aurons l'impression qu'elles touchent le sol au même moment.)

4. En quoi cette expérience est-elle liée à la vie réelle ? (Les élèves peuvent peut-être faire le lien avec les coureurs cyclistes qui portent des casques aérodynamiques pour réduire la traînée, ou des parachutistes qui ouvrent leurs parachutes pour augmenter la traînée.)

Evaluation

Expliquer comment la taille et la forme d'un objet influent sur la vitesse de sa chute dans l'air ?

Réponse : Un objet avec une traînée importante tombera plus rapidement qu'un objet avec peu de traînée. Si la surface d'un objet est large, celui-ci aura plus de résistance aérodynamique qu'un objet de même poids dont la surface est étroite ou plus compacte.

Variantes et autres études

• Demandez aux élèves de renouveler l'expérience avec cette fois-ci :
  - des feuilles de papier de poids différent ;
  - des feuilles de papier de différentes tailles ;
  - un autre type de matière que le papier ;
  - différentes hauteurs.
• Avant que les élèves ne se lancent dans ces nouvelles expériences, demandez-leur de deviner le résultat de chacune d'entre elles et d'expliquer leurs réponses. Ils devront ensuite comparer leurs estimations avec les résultats obtenus et argumenter les écarts éventuels constatés.
• Elaborez plusieurs expériences démontrant comment un objet en mouvement chasse l'air hors de sa trajectoire. Prenez, par exemple, une plaque de contreplaqué ou de carton que vous posez en hauteur contre le mur. Placez ensuite des petits morceaux de polystyrène sur le sol près de la plaque, puis lâchez-la de façon à ce qu’elle tombe en direction des morceaux de polystyrène. Observez le déplacement des morceaux de polystyrène à mesure que la plaque chasse l'air de sa trajectoire.

Applications industrielles

• Etudes sur la baisse de la résistance aérodynamique pour des applications industrielles, telles que la conception d’avions, de bateaux, de voitures, de vêtements et accessoires de course et d’engin spatiaux.
• Etude sur la hausse de la résistance aérodynamique dans des applications industrielles, telles que la conception de parachutes et de voiles de bateaux.

Corrélations avec les standards éducatifs anglo-saxons

United States: Cet exercice rel¨¨ve de certaines parties de la norme NSES Content Standard A, Science as Inquiry et Content Standard G, History and Nature of Science, Grades 5-8 et 9-12 ainsi que des normes suivantes :

Grades 5-8
Standard B – Physical Science: B1, B2

Grades 9-12
Standard B – Physical Science: B2

Britain: Cet exercice rel¨¨ve de la norme anglaise relative ¨¤ l'enseignement Sc1, ? Science Enquiry ? ainsi qu'aux normes suivantes :

Sc1, Science Enquiry, and the following additional standards:
KS2. Sc4: 2b, c; BoS: 1c, d
KS3. Sc4: 2b, c; BoS: 1c, d
KS4. Revision and introduction to the parachute experiment.

Glossaire/vocabulaire

traînée
résistance

Liens

GCSE: Energy, Forces & Motion: Friction

La première partie de ce site (jusqu’à la vitesse terminale) vous explique toutes les différentes énergies et forces.

NASA Glenn Research Center : The Drag Coefficient

Ce site contient de nombreuses informations sur le coefficient de traînée et sur la manière dont la surface d'un objet influe sur la résistance aérodynamique. Ces informations s’adressent à des élèves de collège et de lycée.

Linear Air Resistance on a Projectile

Très bon site interactif qui permet de découvrir les effets de différentes vitesses initiales et des coefficients de traînée. Changez la valeur d'un angle et observez les résultats.

How Does Drag Affect Flight? ( Microsoft Corporation )

Ce site comporte des instructions pour une expérience quelque peu différente.

Physics Classroom: Les lois de Newton—L'éléphant et la plume - Résistance aérodynamique

Cette introduction à la physique niveau collège présente une animation intéressante sur un objet qui tombe et sa résistance aérodynamique.

Bibliothèque de simulation - Résistance aérodynamique

Cliquez sur les graphiques pour lancer les différentes simulations qui montrent les effets de la résistance aérodynamique sur des objets qui tombent.