Question centrale

Comment un parachute influe-t-il sur la vitesse d'un objet qui tombe ?

Matériel requis

• Un bout de tissu de 30 cm² environ
• Quatre cordelettes d'environ 40 cm de long chacune
• Un poids, tel qu'une rondelle métallique, par exemple, ou un objet similaire

Matériel facultatif

• un double-mètre pliant ou mètre ruban
• un chronomètre

Idées principales et notions de base

• Lorsqu'un objet se déplace dans l'air ou tombe, il doit repousser les molécules d'air hors de sa trajectoire. Cela crée une résistance aérodynamique, ou traînée, sur l'objet en mouvement. La résistance aérodynamique agit dans le sens contraire de la direction dans laquelle se déplace l'objet.
• La résistance aérodynamique d'un objet dépend de sa vitesse, de sa taille et de sa section transversale.
• Plus un objet se déplace rapidement dans l'air, plus il rencontre une résistance élevée, parce qu’il doit rapidement écarter les molécules d'air hors de sa trajectoire. La gravité, par exemple, accroît la vitesse d'un objet qui tombe. Cependant, plus sa vitesse augmente, plus la résistance aérodynamique exercée sera importante. En d’autres termes, la gravité accroît la vitesse d'un objet qui tombe, alors que la traînée la ralentit.
• Un objet ayant une large section transversale, comme la voile d'un parachute, rencontrera une résistance aérodynamique 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. Lorsqu'un parachutiste ouvre son parachute, par exemple, il augmente sa résistance aérodynamique.
• Quand la traînée exercée sur un objet est si importante que celui-ci ne peut plus augmenter sa vitesse, cela signifie qu'il a atteint sa vitesse terminale. Le poids de l’objet qui tombe (force descendante) est contrebalancé par la résistance aérodynamique exercée vers le haut de cet objet. En règle générale, plus la résistance aérodynamique d’un objet qui tombe est importante, plus sa vitesse terminale est faible.
• Un objet qui tombe avec une forte traînée, tel qu'un parachutiste qui a ouvert son parachute, atteindra sa vitesse terminale plus rapidement qu'un objet rencontrant une traînée moindre, comme un parachutiste qui n'a pas encore ouvert son parachute. Le parachute agit comme un frein en diminuant la vitesse terminale pour permettre un atterrissage en douceur.

Conseils sur le déroulement de l'expérience

• Si vous n'avez pas de tissu sous la main, utilisez un autre matériau tout aussi léger, comme du papier de soie.
• Nous vous recommandons d'utiliser des cordelettes légères plutôt que des grosses ficelles ou des cordes.
• Vous pouvez attacher la rondelle au parachute avec n’importe quel nœud. Cependant, si vous faites un nœud en tête d'alouette (comme illustré dans l'expérience), vous pourrez facilement le défaire, pour remplacer la rondelle par une autre rondelle de taille et de forme différentes par exemple pour d'autres expériences.
• Lâchez le parachute au moins à deux mètres du sol : cela devrait lui laisser le temps de s'ouvrir.
• Prenons un objet identique mais sans parachute et lâchons-le en même temps pour comparer le temps de descente. Assurez-vous que l'objet est lâché de la même hauteur que l'objet avec parachute. (Voir également la résistance aérodynamique.)

Discussion

1. L'objet avec parachute est-il tombé rapidement au sol ? Justifiez votre réponse. (Il est tombé lentement parce que le parachute a augmenté la résistance à la chute, ou traînée.)
2. Pourquoi le parachute génère-t-il une résistance aérodynamique ? (Il génère une résistance aérodynamique à cause de sa superficie. L'air bloqué sous le parachute doit s’écarter de la trajectoire de descente, sans quoi le parachute ne peut pas continuer à chuter.)
3. Selon vous, que se passe-t-il si vous lâchez un parachute de plus haut ? De plus bas ? (Si vous le lâchez de plus haut, il mettra plus de temps à toucher le sol. Si vous le lâchez de plus bas, il mettra moins de temps à toucher le sol. Dans certains cas, l'objet tombera très rapidement parce que le parachute n'aura pas eu le temps de s'ouvrir entièrement. S’ils le souhaitent, les élèves peuvent utiliser un mètre et un chronomètre pour obtenir des résultats plus précis. Assurez-vous de bien respecter toutes les mesures de sécurité quand ils lâcheront les objets de plus haut.)
4. En quoi cette expérience est-elle liée à la vie réelle ? (Les élèves peuvent faire le lien avec des pilotes de dragster (sport mécanique d’accélération) qui se servent de parachutes pour ralentir leur véhicule après la course. La navette spatiale de la NASA utilise une technique identique lorsqu'elle doit atterrir sur Terre. Toutes les activités qui nécessitent un parachute, telles que le parachutisme et le parapentisme, sont directement liées à cette expérience. Les bateaux à voiles et les planches à voile y sont aussi liés.)
5. Orientez la discussion sur la sécurité et l’importance du pliage du parachute. (Le parachutisme est une activité dangereuse. Cependant, bien suivre les procédures de sécurité réduit le danger. Un parachute doit être consciencieusement plié après chaque utilisation. Mais il se peut, malgré tout, qu'il ne s’ouvre pas correctement ; c’est pourquoi la plupart des parachutistes portent également un parachute de secours, qui a déjà sauvé de nombreuses vies !)

Evaluation

Les élèves peuvent-ils expliquer comment un parachute influe sur la vitesse d'un objet qui tombe ? (Du fait de sa surface importante, un parachute augmente la traînée de l'objet. Cette traînée s'oppose au mouvement descendant, diminue la vitesse de la chute et ralentit la vitesse terminale.)

Variantes et autres études

• Demandez aux élèves de renouveler l'expérience avec cette fois-ci
  – un autre matériau pour fabriquer le parachute.
  – du matériel de tailles variées pour fabriquer un parachute.
  – des cordelettes plus longues et moins longues ;
  – des cordelettes plus lourdes et moins lourdes ;
  – des objets de poids variés ;
  – des hauteurs de chute différentes.
• 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. Demandez-leur ensuite de comparer leurs prévisions avec les résultats obtenus et d’argumenter les écarts éventuels constatés.
• Demandez aux élèves de chronométrer le temps que met un objet à tomber avec et sans parachute. Changez une caractéristique du parachute et recommencez. Continuez jusqu'à ce qu'ils trouvent une caractéristique qui influe considérablement sur le temps de descente. Demandez-leur d’expliquer et de justifier leurs résultats.
• Demandez aux élèves de déterminer, à l'aide d'un chronomètre et d'un double-mètre pliant, la vitesse terminale du parachute sur plusieurs descentes. Vérifiez qu'ils attendent que le parachute soit complètement ouvert avant de commencer à chronométrer.
• Demandez aux élèves de mener plusieurs expériences avec deux parachutes pour observer les différences. Ils peuvent, par exemple, essayer de deviner ce qui va se passer, puis comparer les résultats obtenus avec un grand et un petit parachute portant chacun le même poids. Recommencez cette dernière expérience en utilisant deux parachutes de même taille mais avec une charge de poids différent.
• Demandez aux élèves de créer un parachute « plus performant ». Mais, tout d'abord, déterminez avec eux ce que cette performance implique. La vitesse de descente doit-elle être la plus lente possible ? Ou doivent-ils fabriquer un parachute le plus petit et le plus léger possible pour qu’il ne dépasse pas une certaine vitesse terminale ? Et quelles doivent être sa résistance et sa durabilité ?

Métiers concernés

Etudes de l’augmentation de la résistance aérodynamique dans la conception de :

• Parachutes et parapentes
• Voiles de bateaux et planches à voiles
• Parachutes dédiés au largage de médicaments et de rations alimentaires en zones sinistrées
• Parachutes pour les pilotes qui sont contraints de s'éjecter d'un avion endommagé ou devenu incontrôlable

Corrélations avec les standards éducatifs anglo-saxons

Etats-Unis : Cet exercice relève 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 - Sciences physiques : B1, B2

Grades 9-12
Standard B - Sciences physiques : B2

Britain: Cet exercice relève de la norme anglaise relative à l'enseignement Sc1, « Science Enquiry » ainsi qu'aux normes suivantes :

KS2, Sc3, 1a
KS2, Sc3, 13

Glossaire/vocabulaire

Traînée
Résistance
Vitesse terminale

Liens

Association américaine de parachutisme
Association britannique de parachutisme

Ces sites des fédérations de parachute des Etats-Unis et de Grande-Bretagne fournissent des ressources très utiles et très intéressantes.

ParachuteHistory.com

Ce site offre une perspective historique du parachutisme, très intéressante pour les enseignants.

Hemisphere Parachute Design

Un site très intéressant sur la conception d’un parachute.

GCSE: Energie, force et mouvement—Friction : slowing things down

Ce site propose plusieurs excellentes simulations, en particulier celle qui traite de la vitesse terminale.

Tom Henderson's Physics Classroom: Lesson 3: Newton's Second Law of Motion

Ce site contient de bonnes explications sur la vitesse terminale illustrées par des animations.

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

Vous trouverez sur ce site d’autres animations sur la chute libre et sur la vitesse terminale.