Qu’est-ce qui fait monter une montgolfière ?

Avez-vous déjà vu de grands ballons colorés planer au-dessus des nuages ​​et vous êtes-vous demandé comment ils étaient arrivés là ? Si oui, vous n’êtes pas seul!

Les montgolfières peuvent voler grâce à la loi de la flottabilité, également appelée principe d’Archimède. Le principe d’Archimède stipule qu’un objet dans un fluide (gaz ou liquide) subit une force ascendante égale au fluide déplacé par l’objet. Comme l’air chaud est plus léger que l’air normal, le ballon flotte.

Pour les non-initiés, cela peut être un peu déroutant. Ci-dessous, nous discuterons de tous les tenants et aboutissants (et des hauts et des bas) de la flottabilité !

Qu’est-ce que la flottabilité ?

Dans les termes les plus simples, la flottabilité est la force ascendante exercée sur un objet au repos dans un fluide. La façon la plus simple d’y penser est d’imaginer une balle de tennis placée dans une piscine.

Exemple 1

Lorsque la balle de tennis est placée dans l’eau, vous remarquerez qu’elle coule un peu. Cependant, la balle de tennis ne sera jamais complètement submergée par l’eau. En effet, la force poussant vers le haut sur la balle de tennis, la force de flottabilité, est supérieure à la masse de la balle de tennis.

Cette force de flottabilité est créée par le fluide déplacé par la balle de tennis. Rappelez-vous comment la balle s’enfonce un peu dans l’eau ? Cela déplace l’eau jusqu’à ce que la force de l’eau déplacée soit égale à la force exercée par la balle de tennis.

Cela pourrait être beaucoup de mots si vous êtes un apprenant visuel. CA aidera:

Exemple 2

Imaginez maintenant une seconde qu’au lieu d’une balle de tennis, vous laissiez tomber une balle de plomb dans la piscine. Cette balle de plomb a exactement la même taille que la balle de tennis, mais pèse évidemment beaucoup plus.

Comme vous pouvez l’imaginer, la boule de led coulerait jusqu’au fond de la piscine. Pourquoi est-ce?

La balle led déplace autant d’eau que la balle de tennis, mais elle pèse beaucoup plus. Pour cette raison, la force ascendante de l’eau dispersée n’égalera jamais la force descendante de la boule dirigée.

Cela fait couler la balle dirigée.

Le schéma suivant comparera ce qui arrive à des objets de même taille mais de poids différent dans l’eau. Cela imite exactement ce dont nous venons de discuter avec la balle de tennis et la balle dirigée.

Cette loi de la flottabilité est ce qui fait flotter les bateaux et faire voler les montgolfières. La prochaine fois que vous partirez en croisière ou que vous sauterez dans une montgolfière, vous pourrez imaginer cette loi à l’œuvre !

Qui a découvert la flottabilité ?

Nous avons tous eu de bonnes idées assis dans la baignoire ou la douche. Il y a quelque chose à propos de se détendre dans l’eau qui fait couler le jus du cerveau !

Eh bien, c’est exactement ce qui est arrivé à un mathématicien grec nommé Archimède.

Archimède est l’un des plus grands esprits de l’ancien monde. Il est à l’origine de nombreuses découvertes en mathématiques, physique, ingénierie et astronomie ! C’est aussi un grand inventeur !

La loi de la flottabilité a été l’une de ses plus grandes découvertes, et elle s’accompagne d’une belle histoire !

La couronne d’or

Il y a un conte ancien qui explique comment Archimède a découvert la flottabilité. Certaines d’entre elles sont certainement vraies, mais il y en a qui peuvent être fabriquées. Je vous laisse juge.

Archimède vivait à Syracuse, une province de l’Italie moderne. Le roi de Syracuse à l’époque était un homme du nom du roi Hiero II.

Le roi Hiéron II avait commandé la création d’une couronne d’or à placer dans le temple de Syracuse. Cette couronne devait avoir la forme d’une couronne de laurier. Le roi Hiero II a fourni un morceau d’or à un orfèvre local pour la création de la couronne.

Lorsque le roi a reçu la couronne, il a été impressionné par son savoir-faire et sa beauté. Cependant, certains ont affirmé que l’orfèvre avait utilisé de l’argent dans la conception pour rendre la couronne suffisamment légère.

Archimède a été amené pour découvrir la vérité. Le roi ne voulait pas qu’Archimède endommage la couronne de quelque manière que ce soit, alors Archimède devait faire preuve de créativité.

L’histoire raconte qu’Archimède est entré dans sa baignoire pour réfléchir au problème, il a observé de l’eau se répandre sur le bord de la baignoire alors qu’il s’y baissait. En un instant, il eut sa réponse !

Archimède était tellement excité qu’il a couru jusqu’à chez lui tout nu ! Les rues de Syracuse se sont remplies de ses cris de « Eurêka ! Eurêka ! ».

Le test était simple : Archimède placerait la couronne et un morceau d’or identique au premier dans un baquet d’eau. S’ils avaient le même volume, ils déplaceraient la même quantité d’eau quelle que soit leur forme.

Si de l’argent avait été ajouté, le volume serait différent et la couronne déplacerait l’eau.

L’orfèvre malhonnête a été démasqué et la loi de la flottabilité a été découverte !

Flottabilité et ballons

Alors, comment le principe d’Archimède s’applique-t-il aux montgolfières ?

La première chose à retenir est qu’un fluide est un liquide ou un gaz. Tous les exemples ci-dessus utilisaient des liquides, mais les mêmes lois s’appliquent aux gaz car ce sont aussi des fluides.

L’air tout autour de nous compte comme un gaz, et c’est l’état de la matière que les montgolfières utilisent pour s’élever !

Comme son nom l’indique, les montgolfières volent grâce à l’air chaud. Lorsque l’air à l’intérieur du ballon (ou de l’enveloppe) se réchauffe, il devient moins dense que l’air à l’extérieur de l’enveloppe. Cela fait monter le ballon.

Le ballon contre les balles

Vous vous souvenez de notre exemple de la balle de tennis et de la balle led ? Une montgolfière ressemble beaucoup à ça.

Avant que l’air dans l’enveloppe ne soit chauffé, il est tout aussi dense que l’air à l’extérieur de l’enveloppe. C’est comme la balle dirigée. La taille du ballon est exactement la même que celle d’un ballon en vol, mais le poids de l’air à l’intérieur du ballon est supérieur à l’air qu’il déplace.

Lorsque l’air à l’intérieur du ballon est chauffé, le gaz à l’intérieur devient moins dense. En d’autres termes, le gaz pèse moins même si la taille de l’enveloppe reste la même.

Lorsque cela se produit, le ballon se soulève car il pèse moins que l’air qu’il déplace. Cela signifie que la force vers le haut exercée sur le ballon est égale, puis supérieure au poids du ballon.

Flottabilité trouée !

Une montgolfière a deux trous : un en bas et un en haut. Le trou au fond, souvent appelé la gorge, laisse entrer l’air chaud dans le ballon. Le trou au sommet, ou la valve parachute, permet à l’air chaud de sortir du ballon lorsqu’il est ouvert.

Pour garder une montgolfière en l’air, l’air dans l’enveloppe doit être chauffé de manière constante. Cela maintient l’enveloppe flottante.

Si vous voulez faire atterrir une montgolfière, vous pouvez laisser sortir de l’air chaud. Au fur et à mesure que le ballon devient de moins en moins flottant, il commencera à tomber. Vous pouvez également choisir de laisser l’air dans le ballon se refroidir naturellement, mais cela signifie que vous avez beaucoup moins de contrôle sur la descente.

Flottabilité en pratique

Alors, comment appliquez-vous réellement ces principes dans une montgolfière ?

Nous avons déjà discuté de certaines parties d’une montgolfière, mais voici un bref aperçu qui vous aidera à comprendre comment appliquer le principe d’Archimède :

Partie Ce qu’il fait
Corbeille La boîte au bas d’une montgolfière qui contient une cargaison.
Enveloppe Le « ballon » qui se remplit d’air.
Jupe Un chiffon ininflammable au bas de l’enveloppe
autour des brûleurs.
Brûleurs L’unité qui chauffe l’air à l’intérieur de l’enveloppe.

Les brûleurs, qui sont positionnés au-dessus du panier, utilisent du propane liquide pour chauffer l’air à l’intérieur de l’enveloppe. La flamme est contrôlée par une vanne sur le réservoir de propane liquide.

Plus il y a de propane dans le brûleur, plus la flamme est forte. Plus la flamme est forte, moins l’air devient dense à l’intérieur de l’enveloppe. Au fur et à mesure que l’air à l’intérieur de l’enveloppe devient moins dense, tout le ballon s’élève.

Pilotage

Nous avons déjà expliqué comment le fait de laisser entrer de l’air chaud dans l’enveloppe fait monter le ballon. Nous savons également que laisser de l’air chaud sortir de l’enveloppe ou laisser refroidir l’air dans l’enveloppe fera tomber le ballon.

Avec cette compréhension, nous pouvons commencer à voir comment la loi de la flottabilité peut nous aider à nous diriger dans une certaine mesure.

Contrairement à d’autres machines volantes, vous n’avez pas beaucoup de contrôle sur la destination d’une montgolfière. Cependant, il y a certaines choses que vous pouvez faire pour diriger une montgolfière.

Les aérostiers expérimentés deviennent aptes à reconnaître les modèles de vent à différentes altitudes. Par exemple, si vous savez que le vent souffle vers l’ouest à 3000 pieds, vous pouvez élever votre ballon à 3000 pieds. pour commencer à aller vers l’ouest.

De même, vous pouvez baisser votre altitude si vous souhaitez capter un courant d’air allant dans une autre direction !

Les très bons pilotes de ballon peuvent même sauter d’un courant d’air à l’autre, ce qui fait « tourner » leur ballon.

Comprendre la flottabilité peut donc vous aider à mieux piloter votre montgolfière !

Précautions de sécurité

Parce que tirer une flamme dans l’enveloppe pourrait être potentiellement dangereux, il y a quelques mesures de sécurité en place.

La jupe est faite d’un matériau différent du reste de l’enveloppe. C’est le tissu directement autour des brûleurs et il est donc fait de tissu ininflammable.

Sans la jupe, l’enveloppe ne capterait pas tout l’air chaud nécessaire pour s’élever.

Avant que l’enveloppe ne commence à recevoir l’air chaud des brûleurs, elle est d’abord remplie d’air froid. Cela permet à l’enveloppe de décoller du sol et de prendre une forme prête à recevoir de l’air chaud.

Essayer de faire entrer de l’air chaud dans un ballon avant de le remplir d’air froid mettrait probablement le feu à l’enveloppe.

Ballons flottants : hier et aujourd’hui

Le principe de la flottabilité a été découvert bien avant l’invention de la montgolfière, mais il n’a pas toujours été appliqué correctement.

Premiers ballons

Les inventeurs de la montgolfière, Joseph-Michel Montgolfier et Jacques-Étienne Montgolfier, croyaient que c’était la fumée de leurs montgolfières qui les aidait à atteindre la flottabilité.

Ils ne comprenaient pas encore comment l’air se comportait lorsqu’il était chauffé par rapport à lorsqu’il était refroidi. En fait, ils comprenaient très peu le comportement des molécules d’oxygène !

Pour cette raison, les frères Montgolfier utilisaient de la paille humide pour alimenter leurs montgolfières car cela créait plus de fumée. En réalité, cela n’a fait que nuire aux performances de leurs ballons.

Les montgolfières sont rapidement devenues plus populaires que les montgolfières. Ces ballons utilisaient des gaz plus légers que l’oxygène, comme l’hélium ou l’hydrogène, pour effectuer le vol.

Air chaud léger, l’hélium ou l’hydrogène à l’intérieur d’un ballon à gaz est moins dense que l’air à l’extérieur de l’enveloppe. Cela fait monter le ballon à gaz.

La montgolfière moderne

Au cours des 100 années suivantes, plusieurs découvertes et inventions ont rapproché de plus en plus le retour des montgolfières.

Avec la découverte du brûleur au propane liquide et les efforts considérables de la part d’Ed Yost, les montgolfières sont redevenues populaires au milieu du XXe siècle.

Ces ballons utilisent des brûleurs au propane liquide pour chauffer l’air à l’intérieur de l’enveloppe. Comme nous l’avons déjà mentionné, c’est ce qui fait que les montgolfières modernes deviennent flottantes.

Cela a permis aux montgolfières de voler en toute sécurité pour la première fois depuis plus de 100 ans !

Sans l’invention du brûleur au propane liquide et les travaux d’Ed Yost, le gaz serait resté le meilleur moyen pour les ballons d’atteindre la flottabilité.

Aujourd’hui, les montgolfières sont beaucoup plus populaires que leurs homologues à gaz.

Exploiter le pouvoir d’Archimède

Utiliser le principe d’Archimède pour réaliser le vol est une belle chose ! Et ce n’est pas seulement à cause de la montgolfière. C’est beaucoup plus grand que ça.

Vous avez peut-être entendu quelqu’un parler de « défier la loi de la gravité ». C’était peut-être lors d’un match de basket, ou peut-être en écoutant la bande originale de « Wicked ».

Où que ce soit, il y a une idée répandue selon laquelle voler défie la loi de la gravité, mais ce n’est tout simplement pas vrai. Non seulement ce n’est pas vrai, mais cela enlève en fait la vraie beauté du vol.

La beauté du vol ne vient pas de défier les lois naturelles, mais de les exploiter !

Vous voyez, chaque fois qu’une montgolfière s’élève dans le ciel ou qu’un avion décolle du sol, c’est un témoignage que l’humanité est devenue maîtresse des éléments. Cela prouve que nous nous sommes littéralement élevés au-dessus de l’ordre naturel des choses.

Quand Archimède a découvert la flottabilité, il prouvait en fait une fois de plus qu’il n’y a pas de limite à ce que nous, les humains, pouvons réaliser ! Et exploiter le pouvoir qu’Archimède a découvert réprimande ce point chaque fois que nous quittons la sécurité de la terre.

Pour beaucoup, la montgolfière est plus qu’un passe-temps, c’est un mode de vie. C’est gratifiant pour tant de raisons. La communauté, la paix parmi les nuages ​​et l’exaltation que vous ressentez au décollage ne sont que quelques-unes de ces raisons.

Les leçons tirées de la montgolfière sont certainement une partie de la raison. Et parmi toutes les leçons à tirer, celle-ci est définitivement à retenir : la beauté de la montgolfière est née de l’exploitation, et non de la violation, des lois de la terre.