Agence spatiale canadienne
www.asc-csa.gc.ca
Liens de la barre de menu commune
Contenu de la page
Un guide des sciences en microgravité
pour les étudiants de tous âges
Démonstrations sur la microgravité
Matériel
Contenant - cruche de lait
Liquide coloré
Liquide coloré
Explications
À cause de la pesanteur, tous les objets tombent vers le sol à
la même vitesse. Une feuille de papier et une plume tombent plus lentement qu'une balle de tennis, non pas parce
qu'elles sont plus légères, mais parce que la résistance de l'air a plus d'effet sur elles. Lorsque vous
versez un liquide d'un contenant, on peut dire qu'il "tombe" du contenant. Cependant, si le contenant et son contenu
tombaient, ils conserveraient tous deux la même position l'un par rapport à l'autre.
Démonstration
Percez un petit trou dans la partie supérieure (pour laisser entrer
l'air) et un petit trou au fond d'un gros contenant incassable et hermétique (p. ex. une cruche de lait ou une
bouteille en plastique de 2 litres pour boisson gazeuse). Les trous doivent être petits, mais suffisamment gros pour que
le liquide puisse s'écouler lorsque vous soulevez le contenant. Vérifiez que le liquide s'écoule bien,
puis couvrez le trou à l'aide de la main pour bloquer l'écoulement et laissez tomber le contenant. Il importe
ici de souligner qu'en cours de chute, le liquide ne s'écoule par le trou pratiqué au fond du contenant parce
que ce dernier tombe avec le liquide qu'il contient.
Matériel
Objet lourd de petite taille
Chaise, comptoir ou échelle
Chaise, comptoir ou échelle
Explications
L'explication sur l'impesanteur se trouve dans les renseignements portant sur
la microgravité (voir la partie sur l'impesanteur). En chute libre, les objets semblent ne rien peser parce qu'ils
tombent vers le sol à la même vitesse que vous. Si vous étiez en chute libre en tenant un objet lourd, ce
dernier semblerait n'avoir aucun poids.
Démonstration
Il est facile de simuler l'état d'impesanteur. Il suffit de tenir un
objet lourd dans vos mains (veillez à ce qu'il soit assez petit pour bien tenir dans vos mains) et de sauter du haut
d'une chaise ou d'un comptoir (pourvu que la hauteur ne vous incommode pas). Au moment de la chute, vous devriez sentir que
l'objet s'allège par rapport à ce qu'il pesait lorsque vous vous teniez debout sur le plancher. Essayez
également de courir avec l'objet. À certains moments, l'objet semblera plus léger. Il s'agit en
réalité de périodes d'impesanteur. On peut accentuer cet effet en faisant des sauts dont la hauteur est
supérieure à la longueur. Vous pouvez aussi faire la démonstration sur une trampoline, si cela est possible.
Matériel
Contenant en plastique transparent
Liquide coloré
Liquide coloré
Principes connexes
Pression de l'air
Variation de pression hydrostatique
Mouvement de projectile
Variation de pression hydrostatique
Mouvement de projectile
Explications
En raison de la pesanteur, la pression locale dans un liquide augmente
proportionnellement à la profondeur. De même, dans une pile de livres, ceux qui se trouvent près du dessus
de la pile sont beaucoup plus faciles à retirer que ceux au bas de la pile. Il en est ainsi parce que les livres du
haut exercent une pression sur les livres du bas; la force déployée sur eux est plus grande.
Dans un contenant, le liquide qui se trouve près du fond subit une force beaucoup plus grande et, par conséquent, une pression plus grande, que le liquide situé dans la partie supérieure du contenant. Ce phénomène porte le nom de "variation de pression hydrostatique" et résulte directement de la pesanteur.
Dans un réservoir percé à différentes hauteurs, l'eau qui fuit par les trous du fond parcourra une plus grande distance horizontale. En condition de microgravité, les livres n'exercent pas les uns sur les autres une pression vers le bas et l'eau au fond d'un réservoir n'est pas poussée vers le bas par l'eau située dans la partie supérieure. Par conséquent, la pression locale ne varie pas selon la profondeur. En impesanteur, l'eau ne giclera pas d'un trou pratiqué sur le côté du contenant et si une pression est exercée par une ventouse, par exemple, l'eau qui s'écoulera de chaque trou parcourra la même distance, peu importe la hauteur à laquelle se trouve le trou.
Dans un contenant, le liquide qui se trouve près du fond subit une force beaucoup plus grande et, par conséquent, une pression plus grande, que le liquide situé dans la partie supérieure du contenant. Ce phénomène porte le nom de "variation de pression hydrostatique" et résulte directement de la pesanteur.
Dans un réservoir percé à différentes hauteurs, l'eau qui fuit par les trous du fond parcourra une plus grande distance horizontale. En condition de microgravité, les livres n'exercent pas les uns sur les autres une pression vers le bas et l'eau au fond d'un réservoir n'est pas poussée vers le bas par l'eau située dans la partie supérieure. Par conséquent, la pression locale ne varie pas selon la profondeur. En impesanteur, l'eau ne giclera pas d'un trou pratiqué sur le côté du contenant et si une pression est exercée par une ventouse, par exemple, l'eau qui s'écoulera de chaque trou parcourra la même distance, peu importe la hauteur à laquelle se trouve le trou.
Démonstration
Percez des trous dans le contenant, à différentes hauteurs et
bouchez-les. Faites un trou près du dessus ainsi qu'à l'opposé des autres trous pour laisser
pénétrer l'air. Remplissez le contenant à un niveau situé en-dessous du trou le plus haut, puis
débouchez les trous. Ici, il importe de faire remarquer que le liquide coule (vous pourriez aussi demander pourquoi il
coule) et que le liquide giclant du trou situé le plus près du fond du contenant parcourt la plus grande
distance à l'horizontale. Il se pourrait que vous soyez seulement en mesure de démontrer que ce jet a l'arc le
plus horizontal. Tournez le contenant sur le côté (veillez à ce que le trou d'admission d'air se trouve
au-dessus du niveau de l'eau) vous constaterez que les jets seront identiques parce que tous les trous se trouvent maintenant
à la même hauteur.
Matériel
Petit contenant transparent et hermétique
Huile à transmission ou à frein
Eau
Huile à transmission ou à frein
Eau
Principes connexes
Sédimentation
Variation de pression hydrostatique
Poussée d'Archimède
Variation de pression hydrostatique
Poussée d'Archimède
Explications
Dans un fluide, les particules ou globules les plus lourdes se
déposent dans le fond et les plus légères remontent à la surface à cause des forces de
poussée qui sont créées par la "variation de pression hydrostatique". Cette expression signifie
simplement que, dans un fluide, plus la profondeur augmente, plus la pression locale augmente. La pression augmente en
fonction de la profondeur à cause de l'augmentation de la poussée vers le bas. Tel que mentionné, les
objets en chute libre sont en état d'impesanteur et, par conséquent, les couches inférieures de fluide ne
subissent pas le poids du fluide situé au-dessus. Ainsi, il n'y a aucune variation de pression hydrostatique, aucune
poussée d'Archimède et aucune sédimentation.
Démonstration
Remplissez un contenant d'un mélange d'eau et d'huile à
transmission ou à frein. Remuez le contenant et observez ce qui ce produit. Un des liquides se déposera au fond
et l'autre remontera à la surface. C'est ce qu'on appelle la sédimentation. Si vous ajoutez un troisième
liquide non miscible et remuez le contenant, vous constaterez qu'il y a maintenant trois couches distinctes.
Matériel
Bougie
Tasse, chope ou bol ininflammable
Tasse, chope ou bol ininflammable
Principes connexes
Poussée d'Archimède
Variation de pression hydrostatique
Variation de pression hydrostatique
Explications
Sur Terre, les bougies brûlent parce que l'air à
proximité de la mèche s'échauffe, entraînant une variation de la densité de l'air qui
provoque son ascension. L'air frais est attiré vers la mèche et fournit l'oxygène nécessaire
à la combustion. Nous sommes en présence de courants de convection. En microgravité, le
phénomène de convection n'existe pas. La mèche est allumée, mais comme il n'y a pas de courant
d'air pour fournir l'oxygène nécessaire, les gas se concentrent autour de la mèche. Comme
l'oxygène manque autour de la mèche, la combustion cesse et la bougie s'éteint.
Démonstration
Placez bien à la vue une bougie allumée. Au fur et à
mesure qu'elle brûle, expliquez les phénomènes de la convection, de la poussée d'Archimède
et de la variation de pression hydrostatique. Interrompez le phénomène de convection en plaçant une tasse
sur la bougie, juste au-dessus de la flamme. Le bioxyde de carbone se concentrera près de la mèche et, quand
l'oxygène viendra à manquer, la combustion cessera.
Matériel
Dix billes magnétiques
Surface inclinable
Surface inclinable
Explications
Les aimants exercent une force fixe les uns sur les autres. Dans une
situation donnée, si d'autres forces agissent, les structures et les formes subissent une modification. Un groupe
d'aimants, des billes magnétiques par exemple, forment un anneau sur une surface plane. Si on incline la surface,
l'anneau sphérique deviendra elliptique. Dans le premier cas, seule la force magnétique agissait sur les billes
et donnait une forme circulaire à l'anneau. Dans le deuxième cas, l'effet de la pesanteur agit en
déformant l'anneau. Plus l'angle d'inclinaison augmente, plus l'anneau se déforme. En état de
microgravité, les effets de la pesanteur sont inexistants. Or, l'anneau conserve sa forme circulaire, peu importe
l'orientation de l'inclinaison.
Démonstration
Trouvez un objet à surface plane inclinable muni d'un rebord pour
empêcher que les billes ne tombent. Commencez la démonstration en laissant l'objet à la position
horizontale. Placez les billes sur la surface plane et faites remarquer que les billes forment un anneau circulaire sous
l'effet de l'attraction magnétique. Inclinez lentement l'objet jusqu'à l'un des côtés de l'anneau
touche le rebord. Augmentez l'inclinaison et faites observer aux élèves que l'anneau se déforme en raison
de la pesanteur. Remettez l'objet à la position horizontale et signalez qu'en l'absence de pesanteur, l'anneau reprend
sa forme circulaire.
Matériel
Nécessaire à bulles
Principes connexes
Tension superficielle
Explications
Sur Terre, les structures se déforment sous l'effet de
l'équilibre de la pesanteur et des forces de résistance. Des gouttelettes posées sur une surface
s'aplatissent au lieu de demeurer sphériques, comme ce serait le cas en état de chute libre. La surface des
gouttelettes conserve une certaine courbure parce que la tension superficielle s'oppose à l'effet d'aplatissement de la
pesanteur. En condition de microgravité, les fluides conservent une forme sphérique.
On peut utiliser des bulles de savon pour simuler les effets de la microgravité. Les forces de la tension superficielle que subit une bulle de savon sont grandes par rapport à son poids. C'est ce qui fait qu'elle conserve sa forme circulaire. Les fluides ont un poids largement supérieur à leur tension superficielle, alors ils changent de forme. Sous l'effet de la microgravité, la tension superficielle devient la force dominante qui régit la forme des gouttelettes. Les gouttelettes de fluide conservent leur forme sphérique en microgravité.
On peut utiliser des bulles de savon pour simuler les effets de la microgravité. Les forces de la tension superficielle que subit une bulle de savon sont grandes par rapport à son poids. C'est ce qui fait qu'elle conserve sa forme circulaire. Les fluides ont un poids largement supérieur à leur tension superficielle, alors ils changent de forme. Sous l'effet de la microgravité, la tension superficielle devient la force dominante qui régit la forme des gouttelettes. Les gouttelettes de fluide conservent leur forme sphérique en microgravité.
Démonstration
Montrez une gouttelette en suspension, par exemple une goutte d'eau au bout
d'un robinet ou d'un compte-gouttes. Faites remarquer aux élèves la forme de la gouttelette. Plus la goutte est
petite, plus elle sera ronde. Ajoutez-y lentement de l'eau et la gouttelette pendra une forme parabolique. Faites ensuite une
bulle de savon avec le nécessaire à bulles et mentionnez qu'elle a une forme circulaire. À mesure que le
poids d'une gouttelette augmente, celle-ci se déformera sous les effets de la pesanteur. Les bulles de savon sont
très légères et, même si elles subissent une légère déformation en état
de pesanteur, elles conservent leur forme sphérique.
Matériel
Contenant rectangulaire transparent
Liquide coloré
Support tournant
Liquide coloré
Support tournant
Principes connexes
Accélération centrifuge
Décomposition des forces
Décomposition des forces
Explications
Lorsqu'un fluide est mis en rotation dans une centrifugeuse, deux forces
(force centrifuge et pesanteur) dominent la tension superficielle et agissent sur ce fluide. À mesure que le
matériel est repoussé sur la paroi de l'appareil par la force centrifuge, il est attiré vers le bas par
la pesanteur, créant ainsi une surface de forme parabolique. En microgravité, seule la force centrifuge agit et
au lieu d'obtenir une surface de forme parabolique, on constate simplement que le trou créé au centre de
l'appareil s'élargit. Il faut atteindre une certaine vitesse de rotation pour annuler la tension superficielle et
obtenir la séparation.
Démonstration
Remplissez un contenant rectangulaire transparent d'un liquide
coloré. Faites-le tourner sur un plateau rotatif. Lorsque le contenant est en rotation, la surface du liquide passe
d'une forme plate à parabolique et, à mesure que la vitesse de rotation augmente, la parabole se creuse davantage.
