Experiences dans microgravité

[Rina Lane]

Bonjour,

pourriez-vous m'aider sur les points suivants que je ne comprends pas
(experiences dans microgravité) ?

Experience 1.
Un bocal hermetiquement fermé, contenant de l'eau et quelques gouttes d'huile,
effectue une chute libre d'une hauteur de 2m.
Quand la chute commence, les gouttes d'huile deviennent:
a) immobiles dans le bocal
b) de forme quasiament rondes.
Pourquoi ?

Comme le repere lie au bocal n'est pas galileen, je ne suis pas sure
si on peut expliquer (a) par l'absence de force de pesanteur et
(b) par l'absence de force de pesanteur, l'absence de force de reaction,
et par la presence de la seule force de tension de surface des gouttes.

Experience 2.
Une bougie allumée, placée dans une grande boite (fermée,
mais pas hermetiquement) effecute une chute libre de 2 m de haut.
En chute, la flamme de la bougie devient ronde; en aterrissant,
la bougie s'éteint.
Pourquoi ?

Je dirais que la gravité doit participer à la convection,
et en "l'absence" de gravité il n'y a pas de convection, ce qui expliquerait
pourquoi la flamme devient ronde. Mais je ne suis pas sûre.

Merci !

[flaja]

Bonsoir.
intéressant comme problème.

Un bocal hermetiquement fermé, contenant de l'eau et quelques gouttes d'huile,
effectue une chute libre d'une hauteur de 2m.
Quand la chute commence, les gouttes d'huile deviennent:
a) immobiles dans le bocal
b) de forme quasiament rondes.
Pourquoi ?

Quand le bocal est en chute libre, dans le repère lié au bocal, il n'y a plus de pesanteur. Le contenu du bocal est en apesanteur.
la presence de la seule force de tension de surface des gouttes leur donne une forme arrondie.
Remarque : L'énoncé précise "Quand la chute commence" car ensuite la résistance de l'air freine le bocal et la gravité réapparaît.

Une bougie allumée, placée dans une grande boite (fermée,
mais pas hermetiquement) effecute une chute libre de 2 m de haut.
En chute, la flamme de la bougie devient ronde; en aterrissant,
la bougie s'éteint.
Pourquoi ?

La gravité participe à la convection par le "principe" d'Archimède : les gaz chauds s'élèvent. A l'aterrissage, dans le repère lié à la flamme, la bougie monte brutalement sortant de la boule de gaz chauds.

[Dominique Lefebvre]

Bonsoir,

Je ne suis pas tout à fait d'accord pour dire "Quand le bocal est en chute libre, dans le repère lié au bocal, il n'y a plus de pesanteur. Le contenu du bocal est en apesanteur."
En fait, le champ gravitationnel n'a pas disparu! C'est même dans le cas de la chute libre dans un champ de gravitation la seule force qui s'exerce sur le bocal. Ce qui a disparu, c'est toute réaction quelconque d'un support, cette réaction "normale" si naturelle...
La célébre expérience de pensée d'Einstein dans l'ascenceur en chute libre permet de mieux comprendre. Le passager se sent flotter: il n'a pas perdu son poids, non, mais le plancher de la cabine en chutant comme lui n'offre plus de réaction.
Par ailleurs, il est un peu osé de parler d'apesanteur, vu que nous ne sommes jamais très éloignés de masses considérables. On parle (comme dans le titre) de microgravité ou de pesanteur réduite.

[Rina Lane]

Merci beaucoup pour vos réponses.

Je ne comprends toujours pas pourquoi dans l'expérience 1
les gouttes sont stables.

Soit R_1 un repère lié à la Terre (admis galiléen)
R_2 un repère lié au bocal (non galiléen).
Si on calcule l'accéleration des gouttes dans R_1, on peut écrire
F/m=g
D'un autre côté,
g=(accéleration des gouttes dans R_2)
+ accéleration de Coriolis de R_2 dans R_1
+(accéleration d'entraînement de R_2 par rapport à R_1).

Ici la force de Coriolis est nulle,
et (l'accéleration de R_2 par rapport à R_1)=g.
D'où on conclut que (accéleration des gouttes dans R_2)=0.

Mon problème est qu'au moment initial la vitesse des gouttes
par rapport à R_2 n'est pas nulle (d'abord on renverse le bocal,
après la chute commence).
Donc même s'il n'y a pas d'acceleration dans R_2,
je ne comprends pas pourquoi les gouttes se stabilisent.

Merci !

[Dominique Lefebvre]

Merci beaucoup pour vos réponses.

Je ne comprends toujours pas pourquoi dans l'expérience 1
les gouttes sont stables.

Soit R_1 un repère lié à la Terre (admis galiléen)
R_2 un repère lié au bocal (non galiléen).
Si on calcule l'accéleration des gouttes dans R_1, on peut écrire
F/m=g
D'un autre côté,
g=(accéleration des gouttes dans R_2)
+ accéleration de Coriolis de R_2 dans R_1
+(accéleration d'entraînement de R_2 par rapport à R_1).

Ici la force de Coriolis est nulle,
et (l'accéleration de R_2 par rapport à R_1)=g.
D'où on conclut que (accéleration des gouttes dans R_2)=0.

Mon problème est qu'au moment initial la vitesse des gouttes
par rapport à R_2 n'est pas nulle (d'abord on renverse le bocal,
après la chute commence).
Donc même s'il n'y a pas d'acceleration dans R_2,
je ne comprends pas pourquoi les gouttes se stabilisent.

Merci !

Bonsoir,
l'énoncé dit "
Quand la chute commence, les gouttes d'huile deviennent:
a) immobiles dans le bocal
b) de forme quasiament rondes."

Il se situe à un instant où le bocal est en chute libre dans le champ gravitationnel. Il dit aussi que les gouttes d'huile "deviennent". On peut donc imaginer que l'auteur de l'exercice se pose dans les conditions de chute libre.
Dans ces conditions, les gouttes sont immobiles car l'accélération dans le référentiel local est nulle (comme tu la remarqué). Sur un élément surfacique de l'interface eau/huile, seule la tension de surface s'exerce. Le système tend à minimiser son énergie et la goutte prend une forme sphérique.

Si tu veux étudier le comportement des gouttes entre le temps t=0 où le bocal était immobile dans le référentiel terrestre et le temps t où le bocal est stabilisé en chute libre dans le champ gravitationnel, il va falloir que tu étudies leur mouvement en considérant l'accélération et les mouvements relatifs de deux liquides de masse volumique différente dans un récipient en mouvement non uniforme autour de son centre d'inertie. Car le système bocal+eua+huile n'est pas rigide.... Bref, le truc pas vraiment simple!

[Rina Lane]

> Dans ces conditions, les gouttes sont immobiles car l'accélération
> dans le référentiel local est nulle (comme tu la remarqué).

C'est précisement ce que je ne comprends pas:
un mouvement rectiligne uniforme a, lui aussi,
une acceleration nulle, mais ce n'est pas
pour autant que la vitesse est nulle.

Merci.

[Dominique Lefebvre]

> Dans ces conditions, les gouttes sont immobiles car l'accélération
> dans le référentiel local est nulle (comme tu la remarqué).

C'est précisement ce que je ne comprends pas:
un mouvement rectiligne uniforme a, lui aussi,
une acceleration nulle, mais ce n'est pas
pour autant que la vitesse est nulle.

Merci.

Bien sur, un MRU n'implique pas une vitesse nulle, mais une accélération nulle.
Lors d'une chute libre, l'accélération dans le référentiel terrestre n'est pas nulle, elle est égale à g. Elle est nulle dans le référentiel lié au bocal, comme tu l'as noté d'ailleurs.

[Rina Lane]

Oui, mais pourquoi les gouttes deviennent-elles immobiles
au lieu d'avoir un MRU ?

(Désolée, c'est peut-être bête comme question, mais
j'aimerais comprendre pourquoi.)

[Dominique Lefebvre]

Oui, mais pourquoi les gouttes deviennent-elles immobiles
au lieu d'avoir un MRU ?

(Désolée, c'est peut-être bête comme question, mais
j'aimerais comprendre pourquoi.)

Elles sont immobiles dans le référentiel local lié au bocal, il est important de le préciser.
La première loi de Newton (principe de l'inertie) dit que tant que tu n'exerces pas une force sur un objet, cet objet demeure dans l'état de mouvement initial. On doit donc supposer que si les bulles d'huile sont immobiles, c'est qu'elle l'on toujours été, dans le référentiel local. Tu penses que ce n'est pas vrai et tu as raison.
C'est d'ailleurs pour ça que ton énoncé se place à un instant où la situation est réputée stabilisée (en régime permanent de chute libre).
Je m'explique : lorsque le bocal commence sa chute, il subit l'accélération de la pesanteur. Les bulles d'huiles, moins dense que l'eau, entrent en mouvement dans le référentiel local. mais ce mouvement subit un frottement fluide important qui va rapidement l'amortir (cela se calcule). On arrive donc très rapidement à une situation d'équilibre où les bulles seront immobiles (aux contraintes de vibration, de frottement et de diffusion près..).

[Rina Lane]

C'est super. Tout est clair maintenant. Merci beaucoup !

[Dominique Lefebvre]

C'est super. Tout est clair maintenant. Merci beaucoup !

Pas de quoi. Par curiosité, en quelle classe es-tu?

[Rina Lane]

Je suis un Master en Etudes de l'Espace.

[Dominique Lefebvre]

Je suis un Master en Etudes de l'Espace.

Paul Sabatier?

[Rina Lane]

ISU (International Space University) à Strasbourg.
C'est pluridisciplinire, donc les cours vont rarement en détails.

[Dominique Lefebvre]

ISU (International Space University) à Strasbourg.
C'est pluridisciplinire, donc les cours vont rarement en détails.

Le programme doit être sympa: vas-tu faire des TP en airbus 0G ? Le vol parabolique c'est assez extraordinaire! Ceci tu sera déçue si tu tentes l'expérience du bocal: la durée de la chute libre est insuffisant pour stabiliser le mouvement.

[Dominique Lefebvre]

ISU (International Space University) à Strasbourg.
C'est pluridisciplinire, donc les cours vont rarement en détails.

Tu t'orientes plutôt astro ou ingénierie spatiale ?

[Rina Lane]

Plutôt ingénierie spatiale: la dynamique orbitale,
le calcul des trajectoires, bref "mission trajectory analyst"
(l'enseignement est en anglais).

Pas de vol paraboliques au programme. :)
Par contre, il paraît que les deux experiences peuvent être conduites
sur un simple "drop tower" de hauteut de 2 m, et en filmant on peut voir
la stabilization des gouttes dans l'experience de sedimentation.

[Dominique Lefebvre]

Plutôt ingénierie spatiale: la dynamique orbitale,
le calcul des trajectoires, bref "mission trajectory analyst"
(l'enseignement est en anglais).

Super!
PS : tu vas te retrouver illico à Darmstadt pour faire du contrôle mission!

Pas de vol paraboliques au programme.
Par contre, il paraît que les deux experiences peuvent être conduites
sur un simple "drop tower" de hauteut de 2 m, et en filmant on peut voir
la stabilization des gouttes dans l'experience de sedimentation.

Sur 2 mètres ! T'es sur??? J'ai des doutes! 2 mètres, ça fait une chute d'envrion 0,6 s . La constante de relaxation sur un mélange eau/huile est très supérieure... Et tu pars du principe que l'émulsion est faite avant et est stabilisée, j'imagine?

[Rina Lane]

> Sur 2 mètres ! T'es sur??? J'ai des doutes! 2 mètres, ça fait une chute
> d'envrion 0,6 s . La constante de relaxation sur un mélange eau/huile est très > supérieure...

J'ai posé des questions parce que la seaine prochaine on va faire
des experiences de microgravité, et je sais que ces deux sont
des experiences "classiques" sur des "drop towers".

J'ai vu notre tour, en effet elle n'est fait que 2 - 2,5 m au maximum.
Je suis curieuse maintenant si cela va marcher, je vous écrirai.

> Et tu pars du principe que l'émulsion est faite avant et est stabilisée,
> j'imagine?

Si vous avez du temps, pourriez vous m'expliquer de quoi parlez-vous ?

[Dominique Lefebvre]

L'huile ne forme pas spontanément des gouttes dans l'eau! Tu sais bien sur que ces deux liquides sont non miscibles. Pour former des gouttes d'huile dans l'eau, il faut agiter fortement le bocal pour produire une émulsion. En gravité terrestre, l'émulsion n'est pas stable: sous l'effet de la gravité, tu observes la décantation de l'eau et la séparation rapide des deux phases, l'huile surnageant. Il existe des moyens physico-chimiques pour stabiliser l'émulsion et obtenir une durée de vie pas trop brève des gouttes.

D'où ma remarque: il faut préparer et stabiliser l'émulsion avant la manip! Sinon, tu auras un bocal rempli d'une couche d'eau et d'une couche d'huile surnageante et ta belle expérience sera ... à l'eau!