Travaux Pratiques Encadrés
Avancées scientifiques et réalisations techniques
En quoi le nuage d'orage est-il dangereux pour un avion ?
Expérience 4 : les impacts de la grêle sur l'avion
Tout d'abord, nous souhaitons remercier Monsieur Domise qui a bien voulu nous accompagner dehors lors de cette expérience afin de nous encadrer.
Lundi 15/02/2014 13ème séance
But de l’expérience : Dans cette expérience, nous souhaitons démontrer que la grêle peut être dangereuse pour le fuselage de l’avion.
Principe : Dans un cumulonimbus, la grêle tombe mais ne possède pas de vitesse horizontale. Quand un avion percute des grêlons, c’est la vitesse propre à l’avion qui est à l’origine de la violence plus ou moins forte de l’impact. Dans cette simulation, des plaques d’aluminium vont jouer le rôle du fuselage de l’avion et les glaçons vont jouer le rôle des grêlons. Cependant, dans l’expérience, c’est bien le glaçon qui aura de la vitesse et non la plaque d’aluminium.
Matériel utilisé :
- Un canon à air comprimé (cliquer ici pour voir ses caractéristiques)
- Deux plaques d'aluminium de 0.8 mm d'épaisseur, de 12 cm de large et de 20 cm de long
- Deux plaques d'aluminium de 0.8 mm d'épaisseur, de 12 cm de large et de 15 cm de long
- Trois plaques d'aluminium de 0.8 mm d'épaisseur, de 12 cm de large et de 10 cm de long
- Une pompe à vélo
- Deux cristallisoirs (un grand et un petit)
- De la glace
- Du gros sel
- Du lubrifiant (WD-40)
- Du scotch
- Une potence
- Deux pinces
- Des glaçons fait dans un moule bien particulier
- Un mètre
- Une tige en métal de 62 cm de long
- Deux tables
- Une balance
- Deux supports élévateurs réglables en hauteur mais aussi latéralement
Fig. 40
Montage :
Le montage doit permettre de garantir la sécurité de l'expérience que nous avons due faire dehors. Nous avons commencé à y réfléchir dès la séance précédente. Plusieurs questions restaient sans réponses :
Comment fixer le canon sur le support ?
Comment tenir la plaque ?
Comment garder les glaçons au froid à l'extérieur ?
Fig. 41
Nous avons alors rassemblé en laboratoire tout le matériel qui nous sera nécessaire. Pour les glaçons, nous avons songé à garder un système semblable à celui de notre expérience précédente : un grand cristallisoir rempli de glace pillée et de gros sel dans lequel on place le petit cristallisoir avec les glaçons.
Pour le reste, nous avons fait des tests. Le scotch suffit pour fixer le canon sur le support mais il faut en mettre à plusieurs endroits.
Fig. 42
Pour les plaques, une potence avec des noix de serrage et des pinces permettent de bien maintenir la plaque. Cependant, la potence peut basculer sous à cause de l'impact, c'est pour cela qu'il faut la fixer le plus bas possible.
Grâce aux supports élévateurs et déplaçables latéralement, on peut viser la plaque en ne touchant qu'à deux vis, ce qui est très pratique.
Fig. 43
Fig. 44
Le jour de l'expérience, nous sommes allés chercher deux tables, puis nous avons regroupé tout le matériel que nous avions prévu la semaine précédente. Tout était prévu est nous n'avons pas perdu de temps.
Schéma du montage :
Fig. 45
Voici ce que cela donnait :
Bac à glaçon
Une fois que le montage était terminé (au bout de 20 minutes environ), l'expérience pouvait commencer. Deux obstacles approchaient rapidement : la sortie des élèves et la nuit.
Fig. 46
Fig. 47
Fig. 48
Protocole :
Mesurer l’écart entre la plaque d’aluminium et le canon. Ensuite, charger le canon à air comprimé jusqu’à une certaine pression en gardant la valve fermée (sinon l’air s’échappe). Mettre du lubrifiant dans le canon (pas par la partie du réservoir mais par la celle du canon avec le tuyau). Prendre un glaçon préalablement pesé (pour nous, les glaçons avaient un diamètre trop important, nous avons donc été contraint de les faire fondre pour arriver au bon diamètre). A l’aide de la tige, enfoncer le glaçon au fond du canon (partie tuyau). Allumer le laser du canon, puis viser la plaque d’aluminium en ajustant les vis des supports. Une fois la plaque visée, ouvrir la valve d’un coup sec. Attention à ne pas rester dans l’axe de tir du canon. Relever les traces d'impacts sur les différentes plaques.
Il faut noter que la pression dans la gourde n'est pas exactement celle qu'il y a au niveau du glaçon. En effet, on ne peut enfoncer le glaçon que d'environ 60 cm dans le canon. D'après la loi de Boyle-Mariotte, on a P1.V1=P2.V2 soit P2=(P1.V1)/V2.
Si on calcule le volume de la gourde et de la portion du canon de 40 cm de long, on a :
V [litre]=Volume de la gourde [litre] + Rayon du canon² [dm]* * Longueur de la portion du canon [dm]
V=1 +0,06²*4
V=(625 + 9 )/625
P2=P1*625/(625+9 )
Les données de l'expérience
sont alors les suivantes :
Schéma :
Fig. 49
Observations :
On peut voir de la vapeur d'eau qui sort du canon juste après le tir. Cela est dû au refroidissement adiabatique de l'air pendant le tir.
Voici les photos prises pendant l'expérience, cliquez sur les flèches pour faire défiler
Tir 1
Tir 1
Tir 9
Tir 1
Fig. 50
Résultats :
Interprétations et conclusion:
La vitesse du grêlon qui heurte un avion correspond à celle de l'avion, comprise selon le type d'avion entre 200km/h et 400km/h car les avions ne peuvent rencontrer des cumulonimbus qu'en phase de décollage et d'atterrissage. Ici, d'après de l'aide personnelle (Serge Benjamin, Ingénieur) nous savons que la vitesse des glaçons projetés est comprise entre 200 km/h et 300 km/h. On remarque donc que les glaçons ont une vitesse presque cohérente à la vitesse réelle d'un grêlon. On constate que les dégâts restent majoritairement faibles sur la majorité des plaques. Les impacts de grêlon les plus spectaculaires de grêlon doivent alors être dus à des grêlons beaucoup plus gros et lourds que ceux que nous avons employés.