PRINCIPE DE BERNOULLI, une activité du programme Astronaute juniors de l’Agence spatiale canadienne
Saviez-vous que beaucoup d’astronautes étaient des pilotes d’avion avant d’avoir été recrutés pour aller dans l’espace? C’est une compétence qui est fort recherchée par les agences spatiales. Les pilotes ont tous une caractéristique commune. Ils savent comment vole un avion et savent quelles sont les forces qui s’exercent sur celui-ci. Une de ces forces c’est la portance. Cet atelier qui porte sur le principe de Bernoulli te permettra d’en apprendre davantage sur la portance.
Le principe de Bernoulli, qui a été établi en 1738 par Daniel Bernoulli, énonce que dans le flux d’un fluide, comme un liquide ou un gaz, une accélération se produit simultanément avec la diminution de la pression. En d’autres mots, le principe de Bernoulli définit que plus la vitesse d’un fluide est grande, plus la pression est petite. Les liquides et les gaz sont des fluides.
Le principe de Bernoulli est utilisé dans le fonctionnement de l’aile d’un avion. C’est la différence de profil entre le dessus et le dessous de l’aile qui influence la vitesse de l’air créant ainsi une différence de pression qui permettra la d’améliorer la portance de l’avion1.
Sous l’aile, la vitesse de l’air ne subit aucune influence étant donné le profil plat de l’ail.
À l’inverse, le profil bombé de l’autre côté de l’aile fait parcourir une plus grande distance à l’air, ce qui augmente la vitesse. Cette augmentation de la vitesse crée une zone de basse pression.
Cette différence de pression (pression normale au-dessous de l’aile et basse pression au-dessus de l’aile) provoque une force vers le haut et permet d’améliorer la portance de l’avion. Cela fonctionne bien pour les avions, mais fonctionne bien aussi pour les oiseaux !
Ainsi, les différences de pression d’un fluide qui s’exercent sur un objet peuvent faire bouger cet objet. Pour illustrer ce principe, il est possible de réaliser quelques expériences.
But de la mission : Découvrir et connaître les éléments essentiels du théorème de Bernoulli et par le fait même en apprendre davantage sur la portance.
Objectifs :
- Connaitre et comprendre les fondements théoriques du principe de Bernoulli
- Faire des liens entre les forces qui affectent le vol d’un avion et le principe de Bernoulli
- Représenter le principe de Bernoulli à l’aide d’exemples pratiques
- Développer l’aptitude à résoudre des problèmes par l’intermédiaire de la démarche scientifique.
Matériel pour une équipe de 3 ou 4 personnes :
- Affiche « Principe de Bernoulli » (1)
- Sèche-cheveux avec buse (1)
- Balles de ping-pong (1)
- Canettes d’aluminium vides (2)
- Mètre de ficelle (2 X 1 mètre)
- Bâton de plastique (manche à balais) (1)
- Rouleaux de papier de toilette (1)
- Ballons gonflables (de fête) (2)
- Pailles (# de participants)
- Une demie feuille de papier 8 ½’’ x 11’’ (# de participants)
Description de la mission
Les participants sont invités à réaliser en petits groupes et à l’aide de matériaux de la vie de tous les jours 5 expériences en lien avec le principe de Bernoulli. Si l’enseignant le désire, il peut suivre la démarche scientifique et faire formuler une hypothèse avant la manipulation et demander aux élèves de tenter une explication des phénomènes qu’ils ont observés.
Participation à la mission
- Les participants forment des équipes de trois ou quatre personnes.
- À l’aide de la méthode scientifique, chaque équipe réalise les cinq expériences.
- À la fin de chaque expérience les participants partagent leurs réflexions sur les observations réalisées.
Déroulement :
En ayant recours à la méthode expérimentale (questionnement, hypothèses, expérimentation, observation, conclusion) et en équipe, vous réaliserez les expériences suivantes :
Expérience 1 – Feuille de papier dans le vent – 10 min
Placer la feuille de papier à plat, devant soi, et souffler au-dessus de la feuille avec la paille (à l’horizontale).
Expérience 2 – La balle prise dans un jet d’air – 10 min
Brancher un sèche-cheveux sans buse et mettre en marche. Orienter le jet d’air vers le haut et placer une balle de ping-pong au centre du jet d’air.
Expérience 3 : Un froid entre deux canettes en aluminium – 10 min
Placer les deux canettes vides à 2 cm de distance l’une de l’autre, souffler à l’aide de la paille, un jet d’air entre les deux canettes.
Expérience 4 – Ballons gonflables amoureux – 15 min
Suspendre les deux ballons gonflés à 5-10 cm de distance l’un de l’autre à l’aide de ficelle et d’une tige de support, souffler, à l’aide de la paille, un jet d’air entre les deux ballons.
Expérience 5 – Roule papier hygiénique, roule! – 10 min
Insérer le rouleau de papier de toilette sur le bâton, horizontalement, l’extrémité du rouleau vers le bas. Brancher le sèche-cheveux avec la buse et mettre en marche. Orienter le jet d’air à l’aide de la buse uniquement sur le dessus du rouleau, avec la buse orientée horizontalement.
Cette section s’adresse aux éducateurs (explication des phénomènes) :
Feuille de papier dans le vent :
- On constate que la feuille de papier se soulève.
- Le mouvement rapide de l’air au-dessus de la feuille crée une zone de basse pression, qui attire la feuille vers le haut.
- C’est ce même principe qui explique pourquoi les avions sont capables de décoller!
La balle prise dans un jet d’air :
- On constate que la balle reste prisonnière du jet d’air.
- Le principe de Bernoulli explique aussi pourquoi un jet d’air assez puissant peut emprisonner une balle. En effet, le mouvement de l’air va entourer la balle d’une zone de basse pression, ce qui va l’attirer dans tous les sens. Résultat : la balle reste emprisonnée.
Un froid entre deux canettes en aluminium :
- On constate que les deux canettes se rapprochent.
- En soufflant un jet d’air rapide entre les deux canettes, une zone de basse pression est créée entre les deux canettes. Les canettes sont alors attirées vers cette zone de basse pression.
Ballons gonflables amoureux :
- On constate que les deux ballons se rapprochent.
- En soufflant un jet d’air rapide entre les deux ballons, une zone de basse pression est créée entre les deux ballons. Les ballons sont alors attirés vers cette zone de basse pression.
Roule papier hygiénique, roule :
- On constate que le rouleau de papier de toilette se déroule rapidement.
- Le jet d’air passe rapidement au-dessus du rouleau, ce qui créé une zone de basse pression au-dessus du rouleau. Ce qui signifie en même temps que la pression est relativement plus grande sous le rouleau de papier de toilette. Conséquemment, le rouleau de papier de toilette « s’envole ».
*À titre de partenaire du programme Astronautes Juniors de l’Agence spatiale canadienne (ASC), nous sommes fiers de vous donner des idées d’activités à faire à la maison ou avec vos élèves. Pour en savoir plus, vous pouvez consulter le site de l’ASC (https://www.asc-csa.gc.ca/fra/ressources-jeunes/astronautes-juniors/default.asp).