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La montgolfière s’envoie en l’air !

Montgolfière dossiers Créa-Sciences

Dossier réalisé par Vadim MARLIER pour l’A.S.B.L. « Créa-Sciences » (Juin 2005, mis à jour février 2008)
www.crea-sciences.be

Index

L’histoire d’un ballon
La montgolfière à la loupe
Les différentes parties
Les différentes tailles
Comment se dirige-t-elle ?
Comment décoller ?
Comment atterrir ?
Là où la science entre en jeu
La poussée d'Archimède
Histoire
Illustration
Réalisation d’une mini montgolfière
Matériel
Calcul
Poids de votre montgolfière en supposant celle-ci sphérique
Volume de votre montgolfière en supposant celle-ci sphérique
Volera ou ne volera pas ?
Tracé du calque
Méthode 1
Méthode 2
Remarques
Quelques records

L’histoire d’un ballon

Il était une fois, dans les années 1780 deux frères parmi une famille de 16 enfants. Joseph et Etienne sont les fils d’un papetier. Ils sont très différents, l’un est rêveur, distrait, timide et mauvais collégien tandis que l’autre est un travailleur infatigable, calme et méthodique. Une légende raconte qu’un jour, alors qu’il venait vendre du papier aux imprimeurs, Joseph dormi chez un ami. Il faisait froid et celui-ci décida de réchauffer sa chemise dans la cheminée. Quelle ne fût pas sa surprise lorsqu’il vit l’air chaud faire s’élever sa chemise au-dessus du foyer ! Il décida alors de tenter une expérience, il prit un parallélépipède de taffetas, une sorte de tissu de soie et le mis près de la cheminée, celui-ci s’éleva alors jusqu’au plafond. Sans perdre une minute il écrivit a son frère : « Prépare des provisions de taffetas, de cordage et tu verras une des choses les plus étonnantes du monde. ».

Mais ceci n’est qu’une légende, la vérité est quelque peu différente :

En fait, alors que Joseph regardait attentivement une gravure, son œil glissa du mur à la cheminée. « La fumée s’élève dans la cheminée, pourquoi ne pas récolter cette fumée afin de lui faire porter quelque chose ? » Immédiatement, Joseph découpe un parallélépipède dans du taffetas. En quelques instants, il a conçu la forme et calculé les dimensions de son futur objet volant.

Les deux frères français poursuivent leur recherche et leurs essais. Ils utilisent des matériaux simples qu’ils trouvent dans la papeterie et construisent ainsi leur premier ballon. Arrive alors le moment de le tester. Ils réunissent maîtres et compagnons dans les jardins de la fabrique de papier et allument un feu de paille mouillée et de laine. Ce fût un succès et ils décidèrent alors de construire un ballon encore plus gros. Ils améliorèrent un peu leur ballon en utilisant une triple épaisseur de papier pour consolider celui-ci. 1800 boutons seront alors utilisés pour assembler les différents morceaux.

Le grand jour arrive, il fait nuit afin de garder le secret, mais le ballon a une telle force qu’il arrache les cordes des mains de ceux qui le tiennent. Le ballon est aperçu et les gens commencent à traiter Joseph et Etienne de sorciers. Afin de couper cour à la rumeur, ils décident de faire une démonstration en public. Lors de cette démonstration, le ballon gonflé à l’air chaud monte à une hauteur de 1000 mètres en 10 minutes et retombe finalement 3 km plus loin.

Quelques temps plus tard, Joseph et Etienne retente l’expérience mais cette fois avec à bord un coq, un canard et un mouton. Pourquoi un mouton ? Pour voir comment peut réagir un animal qui n’a pas d’ailes. Ces premiers passagers montent à une hauteur de 600 mètres. A leur atterrissage, la foule qui s’était rassemblée en masse constate que les animaux sont toujours bien vivants, ceux-ci deviennent les héros du jour, et le roi place même le mouton dans la ménagerie de la reine.

La prochaine étape consiste à envoyer non plus des animaux mais bien des êtres humains à bord du ballon. Le roi propose deux condamnés à mort, en cas d’accident leur perte ne serait pas grave, mais la population n’est pas d’accord. Pourquoi deux criminels auraient-ils les premiers la gloire de monter dans les airs ? On choisit alors d’autres personnes qui furent emmenées en toute sécurité par le ballon, faisant ainsi d’elles les premiers passagers de l’air.

Il s’en suivi une course à l’ascension car il faut savoir que Joseph et Etienne n’étaient pas les seuls à fabriquer des ballons. D’autres scientifiques s’y consacraient avec d’autres techniques. Au lieu d’utiliser de l’air chaud pour remplir leur ballon, ils y mettaient de l’hydrogène, un gaz plus léger que l’air. Les records commencent alors à s’établir, traversée de la manche etc. mais arrivent aussi malheureusement les premiers morts, victimes d’accidents de l’air.

Le ballon grandi encore en popularité : on le retrouve ainsi sur des vêtements, meubles, bijoux décorés à son effigie, …

Toutes les grandes villes veulent avoir leur ballon et les envols se multiplient.

Mais très vite, un problème se fit ressentir : le ballon n’obéit qu’à la loi des vents. Il serait donc intéressant d’avoir un ballon qu’on puisse diriger, ce qui amènera beaucoup plus tard à une autre invention : le dirigeable.

Les ballons vont donc se voir attribuer d’autres fonctions, ils vont servir à l’observation durant la guerre mais également de messager. Les premières photos aériennes se feront également à l’aide de ballons.

Le ballon devient ensuite pour certains une source de revenus, attraction principale durant les fêtes, baptêmes de l’air, sauts en parachute, etc…

Maintenant, avant de terminer cette histoire, il me reste une chose importante à vous révéler à propos d’Etienne et de Joseph ou plutôt à propos des frères Montgolfier ! C’est en effet de là que la montgolfière tient son nom ! Toujours utilisée de nos jours, la montgolfière contribue au bonheur et à l’émerveillement des petits comme des grands. La montgolfière est un sport, sport très coûteux et c’est d’ailleurs pour cela que fréquemment celles-ci sont sponsorisées et décorées avec le logo de certaines marques !

A quand la montgolfière Créa-Sciences ?

La montgolfière à la loupe


Les différentes parties

Une montgolfière est composée de 3 parties principales

Une enveloppe :

Constituée de nylon très résistant, elle sert à retenir l'air chaud.

Info+ : Le nylon est traité avec un vernis de polyuréthane pour le protéger des rayons ultraviolets et améliorer la capacité thermique.

Un brûleur :

Il délivre une longue flamme (3 à 6m), juste sous l'ouverture de l'enveloppe, réchauffant ainsi l'air contenu dans le ballon.

Info+ : Le propane en état liquide est contenu dans des bouteilles cylindriques en aluminium (ou acier plus lourd), placées dans la nacelle. Il va vers le brûleur où il se vaporise et se réchauffe dans un serpentin. Le mélange air-propane est enflammé par une veilleuse continue.

Une nacelle :

Elles sont pratiquement toutes en osier et servent au transport des passagers, mais aussi des bouteilles de propane. Beaucoup d'autres matériaux ont été utilisés, mais on est toujours revenu à l'osier car il est le plus souple.

Visualisation différentes parties montgolfière
Les différentes tailles

Il existe des montgolfières de différentes tailles, des petites comme des grandes, qui sont caractérisées par leur volume, c'est-à-dire la quantité d’air qu’elles peuvent contenir.

Ce volume varie entre 600 et 7 000 mètres cubes le plus courant étant de 2 200 mètres cubes

Info+ : Sachant qu’une piscine olympique (25*50m) fait à peu près 3.000 mètres cubes, vous pourriez presque mettre tout son contenu à l’intérieur de la montgolfière.

Comment se dirige-t-elle

Comme il y a plus de deux siècles, la montgolfière actuelle ne se dirige pas ; elle vogue au gré des vents. L'aéronaute sait d'où il décolle mais il ne sait jamais à l'avance où il va exactement atterrir. Par contre, 1'aéronaute expérimenté contrôle parfaitement son altitude. A tout moment, en décidant de chauffer ou de ne pas chauffer, on peut changer d’altitude et modifier sa trajectoire en trouvant des courants d’air différents.

Comment décoller ?

Tout d’abord, il faut choisir un terrain dégagé. Ensuite, la nacelle est couchée sur le sol dans l’axe du vent. L’enveloppe est attachée au cadre de charge de la nacelle. Les équipiers étendent l’enveloppe.
De l’air froid y est insufflé à l’aide d’un ventilateur puis réchauffé à l’aide du brûleur. Par coups successifs, l’air chaud emplit l’enveloppe qui se redresse suivie par la nacelle. Après les dernières vérifications, les passagers sont embarqués et le pilote continue à chauffer l’intérieur de l’enveloppe.

Pour quitter le sol, il suffit d’élever la température à l’intérieur de l’enveloppe
Décolage montgolfière première étape
Décolage montgolfière deuxième étape
Comment atterrir

En diminuant progressivement le temps de chauffe, l’intérieur du ballon commencera à perdre de sa chaleur et entamera une descente contrôlée. Après avoir choisi un terrain approprié, le pilote procède à son “approche“ . En phase finale, à quelques mètres du sol, il éteint les veilleuses, coupe l’alimentation de propane et ouvre la "soupape" qui contrôle l’ouverture du parachute qui libère l’air chaud. Pour libérer l’air chaud, le pilote ouvre complètement le parachute. L’enveloppe s’oriente dans le sens du vent. Il suffit alors de la replier, la remettre dans son sac et de désassembler les différents éléments du ballon et placer le tout dans le véhicule de récupération qui suit le vol.

Là où la science entre en jeu


La montgolfière du futur sera plus petite et pourra soulever plus de poids. En effet, les deux problèmes principaux d’une montgolfière sont :

son poids : utilisation de nouveaux matériaux plus léger

l’échange thermique : en effet, si l’enveloppe du ballon peu garder de l’air plus chaud, la différence entre l’extérieur et l’intérieur du ballon sera plus grande ; il sera donc plus léger et pourra soulever plus de poids.

La poussée d'Archimède

Histoire

Hiéron, roi de Syracuse (–265 à –215), soupçonna un jour son orfèvre de l’avoir volé. L’artisan avait-il remplacé par de l’argent une partie de l’or fourni pour fabriquer la couronne du roi? Hiéron demanda à son ami Archimède de vérifier quelle proportion d’argent contenait l’ornement royal. Le grand géomètre chercha à évaluer le volume de la couronne et sa densité. Toutefois, la forme compliquée de la couronne interdisait tout calcul simple. La légende veut qu’Archimède prit un bain pour réfléchir, et qu’il remarqua que la baignoire débordait quand il y entrait. Il comprit alors que l’immersion d’un corps déplace une quantité d'eau équivalente à son volume. Il se serait alors élancé nu dans la rue en criant Euréka!

Archimède formula ainsi ce qu’il avait observé : tout corps plongé dans un liquide subit une poussée verticale dirigée vers le haut et égale au poids du volume de liquide déplacé. Hiéron serait satisfait! Pour déterminer la densité de la couronne par rapport à celle de l’eau, il lui suffisait de mesurer la diminution de son poids apparent dans l’eau. Imaginons les mesures qu’Archimède réalisa pour satisfaire le roi. Sans doute commença-t-il par peser la couronne en la suspendant sous le plateau d’une balance. Puis, il répéta l’opération en immergeant la couronne dans l’eau. Pour rétablir l’équilibre, Archimède dut retirer des poids du plateau opposé à celui qui soutenait la couronne. Il calcula ensuite la densité du métal en faisant le rapport entre le poids de la couronne du roi et le poids retiré du plateau. Archimède répéta ensuite cette opération avec un lingot d’or, afin de comparer la densité de la couronne à celle de l’or pur.

Illustration

Une bouteille en plastique remplie d'air (fermée) remonte lorsqu'on la plonge au fond d'une baignoire. La poussée exercée par un fluide comme l'air ou l'eau sur un corps est égale au poids du volume du fluide déplacé par ce corps. Par exemple, une bouteille de 1 litre posée sur une table déplace 1 volume d'air égal à 1 litre. 1 litre d'air pèse 1,3g. Donc, l'air exerce sur la bouteille une force verticale dirigée vers le haut correspondant à une masse de 1,3g (soit 0,0013 N) alors que le poids de la bouteille, force vertical dirigée vers le bas, correspond à une masse de 1000 g (soit 1 N). Le poids l'emporte sur la poussée exercée par l'air et la bouteille ne s'élève pas.

Par contre, si on plonge une bouteille vide pleine d'air, dans une baignoire la poussée d'Archimède exercée par l'eau sur la bouteille peut vaincre le poids de la bouteille : elle flotte.

Pour élever un objet dans les airs il faut avoir recours à un ballon contenant un fluide moins dense que l'air. C'est le cas de l'air chaud, l'hélium (0,14g/l), l'hydrogène (0,07 g/l). L'hydrogène est plus efficace que l'air chaud ou l'hélium mais il est inflammable...

Réalisation d’une mini montgolfière

Matériel

crayon (éviter le bic, on en met partout !)

latte

ciseaux

papier collant

carton fin (genre boîte de céréales)

papier de soie

colle (après avoir tester trois colles différentes, c’est finalement la Pritt Stylo à Colle qui sort grand vainqueur !)

beaucoup d’espace

Remarque : fort difficile à réaliser avec des enfants age minimum 10 ans !!!

Pritt Stylo à Colle Pritt Stick Colle Stylo à colle Paladin Glue

Très bien, le seul hic : le prix peut-être. 1,75 € (2005)

Sèche beaucoup trop vite et se décolle très facilement 1,15 € (2005)

Celle-ci soude presque votre papier mais non seulement elle le fait déteindre mais en plus elle fait gondoler… à n’utiliser que si vous êtes très soigneux. Oubliez pour les enfants !

0,90 € (2005)



Calcul

Votre montgolfière doit avoir un volume suffisant pour lui permettre de soulever son propre poids.

Poids de votre montgolfière en supposant celle-ci sphérique

4 π r² * (poids du papier au cm²)

Ex : rayon = 45cm poids = 0,001714 g (1 feuille 70*50 = +- 6 g
4 π 45² * 0,001714 = 43,616 g + la colle + éventuellement une nacelle + …

Volume de votre montgolfière en supposant celle-ci sphérique

4/3 π r³

Ex : rayon = 45cm

4/3 π 45³ = 381.703 cm³ = 0,38 m³

1 m³ = 1.000.000 cm³

Volera ou ne volera pas ?

1 m³ d'air à 100°C peut soulever une charge de 250 grammes dans un air ambiant à 20°C

Notre montgolfière soulèvera 0,38 * 250 = 95 g n’en pesant que 43 g elle devrait décoller

Remarque : Prévoyez de la marge, beaucoup de marge, le calcul est théorique.

Tracé du calque

Méthode 1

Remarque : méthode trouvée sur le net et testée. La montgolfière possède une jolie forme mais vu la taille, il faut être patient durant la réalisation !

Remarque : adaptez la dimension du gabarit à la dimension des feuilles de papier de soie. Cela vous évitera de nombreux collages ! Si vous avez de grosses différences, refaites le calcul pour être sûr.

Dimension du gabarit :

                   largeur : 24 cm
                  longueur : 150 cm

Délimite ce quadrillage en carrés de 6 cm de coté.

Reproduis la figure ci-contre sur le quadrillage : ce patron ne représente que la moitié d'une bande.

Découpe ensuite ton patron.

Patron gabarit montgolfiere

1

Quadrillage gabarit montgolfière
2

Tracé gabarit montgolfière
3

Découpe gabarit mongolfiere
Quadrillage du gabarit
(6cm*6cm)

Dessin du tracé

Découpage


- Prendre du papier de soie et couper huit rectangles tel que : l= 48 cm et L= 150cm.

- Prendre chacun de ces rectangles pliés en deux et reproduire le patron dessus.

- Assembler soigneusement les figures avec de la colle.

1
Pose gabarit sur la feuille de papier soie
2
Tracage du gabarit sur le papier soie
3
Feuille papier soie coupée
4
Collage feuilles papier soie
Lors de l’assemblage de vos feuilles, choisissez bien la couleur. Vous pouvez aussi obtenir un damage en mettant le orange en bas une fois sur deux.

Tracez votre gabarit et découpez-le avec précaution. La feuille de soie étant pliée en deux, elle a tendance à bouger, veiller donc à découper les deux épaisseurs en même temps.

Voici un des panneaux de votre montgolfière une fois découpé.

Pour le collage, superposez les panneaux et encollez les côtés arrondis. Procédez en plusieurs étapes vu la longueur.


Mini mongolfière au sol Mini montgolfière décolage
Voilà la montgolfière terminée, on remarque le damage de couleur.

Laissez la montgolfière couchée et chauffez l’intérieur à l’aide d’un sèche-cheveux. Elle devrait peu à peu s’élever doucement. Au besoin, aidez-la à se déployer. N’oubliez pas qu’il faut la plus grande différence de température entre l’intérieur et l’extérieur, ouvrez la fenêtre s’il fait trop chaud ou attendez l’hiver. Personnellement j’ai essayé en extérieur mais il y avait trop de vent, choisissez vraiment un jour où il n’y a pas un souffle ! Si votre sèche-cheveux n’est pas assez puissant, vous pouvez utiliser un décapeur thermique. ATTENTION à ne pas tout bruler !


Méthode 2


Les lignes qui vont suivre vont vous expliquer comment réaliser un calque, calculer le nombre de panneaux nécessaires etc.

1) Choisissez un rayon pour votre sphère

2) Vérifiez par calcul que celle-ci ait des chances de voler (prévoyez de la marge, le double à peu près)

3) Calculez le périmetre : 2 π r

4) Divisez ensuite par le nombre de panneau et vous aurez la largeur de votre panneau (minimum 6 panneaux, si non elle n'aura pas une belle forme)

5) Votre calque ne représentant que un demi panneau, diviser ce chiffre par deux, vous obtenez alors votre point repère

EX : r = 45cm nombre de panneau = 6 (minimum)
périmètre 2 π 45 = 282,74 cm
282/6 = 47
47/2 = 23,5 (point repère)

hauteur du calque = + de 2X le rayon donc ici mimimum 100 cm, tout dépend de la forme final que vous souhaiter, plutot alongée ou plutot ronde.
Tracer votre gabarit en passant par ce point repère

Tracer un gabarit pour une mini montgolfiere

Remarques :

Réalisez votre montgolfière à l’avance si vous souhaitez le faire avec des enfants, vous pourrez ainsi vous rendre compte de la difficulté et vous organiser au mieux !

Réfléchissez à l’avance aux couleurs.


Bibliographie

http://www.montgolfiere.fr/Jpg/etang.jpg

http://www.mairie-annonay.fr/accueil-sommaire/framesetacc/mongolfieres-h-fs.html

http://encyclopedie.snyke.com/articles/montgolfiere.html

http://www.ffaerostation.org/public/technique/index.php

http://www.pourlascience.com/php/pls/article_integral.php?idn3=469

http://cyberechos.creteil.iufm.fr/cyber12/recre/MONTGOLF/MONTGOL.HTM

http://www.crea-sciences.be © La Science, même pour les plus petits !