Physique Terminale S : La chute libre 1/2
Si vous voulez construire une fusée avec un nouveau design audacieux, vous devez avoir un moyen de tester son intégrité structurelle sans installer de moteur. Vous n’avez pas de soufflerie, mais vous n’êtes pas prêt à concéder. Vous pensez vous-même: «Qu'est-ce qu'un vol sans propulsion?». Vous répondez ensuite à votre propre question: «Tomber». En termes simples, le moyen le plus simple de voler sans se lancer est de s'effondrer. Prenez un prototype très haut, laissez-le tomber, et vous aurez une idée de ses performances rapidement.
L’agence la plus importante au monde dans le domaine de la précision est l’Agence japonaise d’exploration aérospatiale, ou JAXA, qui est essentiellement la version japonaise de la NASA. L'agence tente de construire un avion supersonique pratique, ce qui n'est pas chose facile. Des efforts similaires dans le passé ont créé des produits médiocres, notamment le Concorde.
Le Concorde était en proie à des problèmes qui empêchaient d’autres avions de compagnie d’adopter le même type de conception pour leur propre appareil. Un des problèmes les plus importants était l'excès de bruit. L’expression «bang sonique» n’est pas un abus de langage - casser le mur du son est un phénomène incroyablement fort. Les constructeurs ont dû concevoir l’avion pour empêcher la tête des passagers d’exploser et les avions de ligne ne pouvaient plus le faire atterrir, aucun être humain au sol ne voulant être soumis à des sons aussi puissants et destructeurs. L’objectif de la JAXA est de créer un avion de ligne supersonique plus silencieux. Et son test par des tests de chute avec un modèle expérimental en Suède.
Comment ça fonctionne? En gros, un ballon soulève l’avion sans pilote - le modèle concept Silent SuperSonic de JAXA, à une altitude d'environ 18,6 km, et le laisse tomber tout simplement. Des capteurs attachés à l'avion mesurent les ondes de choc lorsque l'avion s'approche de vitesses pouvant atteindre Mach 1,39 en chute libre.
La physique d'une chute libre supersonique n'est pas si différente de la manière dont un objet se déplaçant plus rapidement que le son sur un plan horizontal fonctionne. L'air devient puissamment comprimé devant l'avion, ce qui déferle une vague de haute pression dans toutes les directions. Cette onde de choc commence à se propager dans les airs mais s’affaiblit à mesure qu’elle s’éloigne pour devenir une onde sonore. C'est l'explosion que nous entendons et appelons un boom sonore.
Pour comprendre ce qu’il ya de spécial dans une chute libre supersonique, examinons de plus près à quoi correspondent exactement les nombres de Mach: le rapport entre la vitesse d’un objet et la vitesse du son à un endroit donné. Et la vitesse du son est soumise aux changements de température et de pression - à des altitudes plus élevées, la vitesse du son diminue, de sorte qu'un objet n'a pas besoin de se déplacer nécessairement à la même vitesse pour atteindre Mach 1 à une dizaine de milles dans les airs. fait au niveau de la mer. (La vitesse du son au niveau de la mer est d'environ 760 milles à l'heure).
De plus, Mach 1 est un environnement extrêmement instable en raison de l’onde de choc créée par la rupture du mur du son. Même de petits mouvements peuvent avoir des effets physiques très puissants sur l'objet. Le pire endroit à être est fondamentalement entre Mach 0.9 et 1.2.
Ainsi, lorsqu'un objet se déplace à des vitesses supersoniques en chute libre, il se trouve dans la position inhabituelle d'accélération plus rapide alors que son nombre de Mach augmente plus lentement. La zone de Mach instable occupe plus de temps que si elle se déplaçait sur un plan horizontal. La plupart des avions sont conçus pour dépasser Mach 1 et entrer dans une zone de sécurité le plus rapidement possible. Vous ne pouvez pas tester quelque chose comme ça dans une expérience de chute libre.
La vitesse est également supérieure à cause de la traînée. C’est ce qui s’est passé dans le cas probablement le plus célèbre d’un objet se déplaçant plus rapidement que le son par gravité: le saut de Felix Baumgartner en 2012 à partir de 23 milles environ dans les airs, pour devenir le premier plongeur céleste à franchir le mur du son sans utilisation d'un avion. Lorsque Baumgartner est tombé sur terre, il a finalement cessé d'accélérer à cause de la collision avec des molécules d'air, créant une «force de traînée» qui s'est accumulée sous forme de résistance de l'air jusqu'à devenir égale et opposée à la force de gravité. À ce stade, Baumgartner avait atteint une vitesse maximale.
En fait, alors que la plupart des objets atteignant la vitesse limite resteraient simplement à une vitesse constante, Baumgartner a en fait commencé à ralentir, car l'atmosphère environnante commence à devenir de plus en plus épaisse à mesure qu'un objet en chute libre diminue. La vitesse terminale commence donc à diminuer, ce qui signifie que Baumgartner a également commencé à ralentir. La même chose se produirait vraisemblablement dans l’un des avions que le modèle JAXA est actuellement testé par Silent SuperSonic Concept.
La science, comme la plupart des choses dans la vie, est plus froide quand elle est plus rapide.
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