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Module « Physique & Cinéma »
Leçon 4
Pourquoi la gravité s’acharne-t-elle sur Sandra Bullock ?
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1. L’espace : un milieu hostile
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Physique pour Tous ! Diapo
1. L’espace : un milieu hostile
3
Gravity (2013) « Maintenance du télescope Hubble »
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Physique pour Tous ! Diapo
Référence : extérieur du télescope Hubble Altitude = 600 km (thermosphère)
-150°C +150°C
1. L’espace : un milieu hostile
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Physique pour Tous ! Diapo
1. L’espace : un milieu hostile
• Télescope de 11 tonnes pour observer l’espace (lumière visible, infra-rouge & ultra-violet)
• En orbite depuis 1990, moultes maintenances
• Orientable dans l’espace & alimenté par des panneaux solaires rotatifs
• En retraite actuellement (dernière opération de maintenance en 2007) et sera remplacé par le télescope James-Webb en 2021.
C’est quoi Hubble ?
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Température
-150°C +150°C
1. L’espace : un milieu hostile
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Physique pour Tous ! Diapo
1. L’espace : un milieu hostile
Le « vide »
• Pression ≈ 10-11 Pa (10 millions de milliards de fois plus petite que celle au niveau de la mer)
• Masse volumique de l’air ≈ 10-12 kg/m3 (mille milliards de fois plus petit que celle au niveau de la mer)
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Physique pour Tous ! Diapo
1. L’espace : un milieu hostile
Propagation du son
En présence d’une vraie
atmosphérique
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1. L’espace : un milieu hostile
Propagation du son
En présence d’une vraie
atmosphérique
En absence d’atmosphère
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Physique pour Tous ! Diapo
1. L’espace : un milieu hostile
Propagation du son
En absence d’atmosphère
Petite expérience
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Physique pour Tous ! Diapo
1. L’espace : un milieu hostile
11
Le vent solaire
Vent solaire = flux de particules ionisantes provenant du Soleil
Magnétosphère = champ magnétique protégeant la
Terre des particules ionisantes
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Physique pour Tous ! Diapo
1. L’espace : un milieu hostile
12
Le vent solaire
Vent solaire = flux de particules ionisantes provenant du Soleil
Magnétosphère = champ magnétique protégeant la
Terre des particules ionisantes
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Physique pour Tous ! Diapo
1. L’espace : un milieu hostile
13
Le vent solaire Télescope Hubble
Vent solaire = flux de particules ionisantes provenant du Soleil
Magnétosphère = champ magnétique protégeant la Terre
des particules ionisantes
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1. L’espace : un milieu hostile
14
Comment se protéger lors de sortie extra-véhiculaire ?
La combinaison spatiale
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1. L’espace : un milieu hostile
15
Gravity (2013) « Défeuillage »
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1. L’espace : un milieu hostile
16
Combinaison spatiale américaine pour sortie extra-véhiculaire
Extravehicular Mobility Unit (EMU)
Liquid Cooling and Ventilation Garment (LCVG)
Maximum Absorbency Garment (MAG)
Couche très absorbante Evacuation de la chaleur corporelle + respiration de la peau
Air pressurisé (0,3 bars) 100% oxygène
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1. L’espace : un milieu hostile
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Extravehicular Mobility Unit (EMU)
Air pressurisé (0,3 bars) 100% oxygène Palier de décompression obligatoire
avant de sortir ou de rentrer
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1. L’espace : un milieu hostile
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Combinaison non adaptée à la sortie extra-véhiculaire dans le reste du film
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1. L’espace : un milieu hostile
19
Tout nu dans l’espace, de quoi mourrait-on ?
1. Mourir de froid ou de chaud
2. Mourir explosé
3. Mourir d’un manque d’oxygène
4. Mourir d’ennui Superman 4 (1987)
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1. L’espace : un milieu hostile
20
Pression
Due aux mouvements des molécules atmosphériques
Force F = 105 Pa x 1 m² = 105 N
correspond à 10 Tonnes !
Force
F
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1. L’espace : un milieu hostile
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Pression
l'eau (sur la peau, muqueuses) s'évapore/gèle...
+ Cocotte Minute
Espace
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1. L’espace : un milieu hostile
22
Pression
Peau (très) élastique + bulles de gaz dans le corps
→ pas d'explosion mais doublement du volume !
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Physique pour Tous ! Diapo
1. L’espace : un milieu hostile
23
Pression
Peau (très) élastique + bulles de gaz dans le corps
→ pas d'explosion mais doublement du volume !
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1. L’espace : un milieu hostile
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Pression
Dans le vide, P ~ 0 → mais P ~ Patmosphérique
dans les poumons !
→ Ne pas retenir sa respiration !
→ les poumons risquent d'exploser...
Force F = 105 N/m2 ! Force F = 105 N/m2 !
Vide → Fvide
= 0 ! Vide → Fvide
= 0 !
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Physique pour Tous ! Diapo
1. L’espace : un milieu hostile
25
Condition de survie numéro 1
Ne pas retenir sa respiration
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Physique pour Tous ! Diapo
1. L’espace : un milieu hostile
26
Température
Entre -150°C et +150°C (position du Soleil)
Vide → pas de conduction/courants d'air → refroidissement (très) lent
Rayonnement 60 % Transpiration 20 %
Conduction +
Courants d'air 20 %
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Physique pour Tous ! Diapo
1. L’espace : un milieu hostile
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Température
Entre -150°C et +150°C (position du Soleil)
Vide → pas de conduction/courants d'air → refroidissement (très) lent
Rayonnement 60 % Transpiration 20 %
Conduction +
Courants d'air 20 %
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Physique pour Tous ! Diapo
1. L’espace : un milieu hostile
28
Température
Entre -150° et + 150° (selon position du Soleil)
Vide → pas de conduction/courants d'air → refroidissement (très) lent
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Physique pour Tous ! Diapo
1. L’espace : un milieu hostile
29
Condition de survie numéro 2
Etre bien couvert...
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Physique pour Tous ! Diapo
1. L’espace : un milieu hostile
30
Température
Entre -150° et + 150° (position du Soleil)
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Physique pour Tous ! Diapo
1. L’espace : un milieu hostile
31
Température
Entre -150° et + 150° (position du Soleil)
Flux lumineux x 1,5 + pas de protection de l'atmosphère terrestre (UV)
→ Coups de Soleil !!
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Physique pour Tous ! Diapo
1. L’espace : un milieu hostile
32
Condition de survie numéro 3
Des lunettes de soleil + crème solaire !
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Physique pour Tous ! Diapo
1. L’espace : un milieu hostile
33
Air/Oxygène
Volume oxygène dans le sang ~ 15 secondes → évanouissement
Mort après 1-2 minutes...
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Physique pour Tous ! Diapo
1. L’espace : un milieu hostile
34
Air/Oxygène
Volume oxygène dans le sang ~ 15 secondes → évanouissement
Mort après 1-2 minutes...
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Physique pour Tous ! Diapo
1. L’espace : un milieu hostile
35
Condition de survie numéro 4
Avoir des copains pas trop loin !
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Physique pour Tous ! Diapo
1. L’espace : un milieu hostile
36
Condition de survie numéro 1
Ne pas retenir sa respiration
Condition de survie numéro 2
Etre bien couvert...
Condition de survie numéro 3
Des lunettes de soleil + crème solaire !
Condition de survie numéro 4
Avoir des copains pas trop loin !
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2. Orbite des satellites
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2. Orbite des satellites
38
Orbite basse
Orbite géostationnaire
Z < 2 000 km Z = 36 000 km
Z = 384 000 km
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2. Orbite des satellites
39
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2. Orbite des satellites
40
Le satellite est en chute libre Orbite d’un satellite
Poids = mSatellite × 𝑔
avec g intensité du champ de pesanteur terrestre = ???? m/s²
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Physique pour Tous ! Diapo
2. Orbite des satellites
41
Le satellite est en chute libre Orbite d’un satellite
Poids = mSatellite × 𝐺 ×𝑚𝑇𝑒𝑟𝑟𝑒
𝑅𝑇𝑒𝑟𝑟𝑒+𝑧 2
avec G constante universelle de gravitation = 6,67 × 10−11 m3/kg/s²
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2. Orbite des satellites
42
Cas 1 : le satellite est placé dans l’espace sans vitesse initiale
Orbite d’un satellite
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2. Orbite des satellites
43
Cas 2 : le satellite est lancé avec une vitesse faible
Orbite d’un satellite
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2. Orbite des satellites
44
Cas 3 : le satellite est lancé avec une vitesse suffisante pour faire le tour de la Terre
Orbite d’un satellite
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2. Orbite des satellites
45
Cas 4 : le satellite est lancé avec une vitesse plus grande
Orbite d’un satellite
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2. Orbite des satellites
46
Cas 5 : le satellite est lancé avec une vitesse trop grande (supérieure à la vitesse de libération)
Orbite d’un satellite
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2. Orbite des satellites
47
Résumé Orbite d’un satellite
Plusieurs trajectoires possibles : 1. La ligne droite
2. La parabole
3. Le cercle
4. L’ellipse
5. L’hyperbole
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2. Orbite des satellites
48
Résumé Orbite d’un satellite
Plusieurs trajectoires possibles : 1. La ligne droite
2. La parabole
3. Le cercle
4. L’ellipse
5. L’hyperbole
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2. Orbite des satellites
49
Orbite de Hubble
Altitude = 600 km
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2. Orbite des satellites
50
Orbite de Hubble
Altitude = 600 km
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2. Orbite des satellites
51
Orbite en 3D de Hubble
Les lois de Newton ne contraignent pas :
• Le sens de rotation
• Le plan passant par le centre de la Terre dans lequel tourne le satellite
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2. Orbite des satellites
52
Orbite de Hubble
𝑣 =𝐺 × 𝑀𝑇𝑒𝑟𝑟𝑒
𝑅𝑇𝑒𝑟𝑟𝑒 + 𝑧
T =2𝜋(𝑅𝑇𝑒𝑟𝑟𝑒 + 𝑧)
𝑣
La vitesse
La période
• Chute libre : la masse du satellite n’intervient pas.
• Les 2 grandeurs ne dépendent que de l’altitude z.
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2. Orbite des satellites
53
avec
• G = 6,67 × 10−11 N.m².kg-2
• RTerre = 6 371 000 m
• MTerre = 5,9736×1024 kg
• Z = 600 000 m
𝑣 =𝐺 × 𝑀𝑇𝑒𝑟𝑟𝑒
𝑅𝑇𝑒𝑟𝑟𝑒 + 𝑧= 7 560 m/s = 𝟐𝟕 𝟐𝟏𝟕 𝐤𝐦/𝐡
T =2𝜋(𝑅𝑇𝑒𝑟𝑟𝑒 + 𝑧)
𝑣= 5 794 s = 𝟗𝟕 𝐦𝐢𝐧
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2. Orbite des satellites
54
Véritable orbite de Hubble
La présence de l’air n’est pas négligeable.
Force de frottement.
L’altitude décroit avec
le temps (quelques km par an
actuellement )
Rentrée dans l’atmosphère ~ 2030
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3. Débris spatiaux et collision
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3. Débris spatiaux et collision
56
Gravity (2013) « Première collision avec les débris »
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3. Débris spatiaux et collision
57
Selon vous, quel est le nombre de débris dont la taille est supérieure à une balle de golf qui circulent dans l’orbite basse de la Terre ?
1. 100
2. 1 000
3. 10 000
4. 100 000
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3. Débris spatiaux et collision
58
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3. Débris spatiaux et collision
59
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3. Débris spatiaux et collision
60
Explosion de 2009
Kosmos-2251 (900 kg) satellite de
télécommunications militaires russe
Iridium 33 (560 kg) pour téléphonie
par Satellite Collision accidentelle
le 10 février 2009
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3. Débris spatiaux et collision
61
Explosion de 2007
• Fengyun-1C = satellite météorologique chinois mis en
orbite en 1999.
• 11 janvier 2007 : essai chinois d’un missile anti-satellite
sur le satellite Fengyun-1C.
• 150 000 débris produits dont seulement 2 000 peuvent
être traçables.
Evénement qui a
servi de base
pour le scénario
de « Gravity ».
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3. Débris spatiaux et collision
62
Danger selon la taille des débris
Syndrome de Kessler (1978)
Si le nombre de débris dépasse un certain seuil, les débris en se heurtant entre eux créent une réaction en chaîne. l’orbite basse serait impraticable
Si un débris dont la taille est inférieure à 1/10 mm ne fait qu'éroder la surface d'un satellite, les débris dont la taille est comprise entre 1/10 mm et 1 cm peuvent perforer des équipements et entrainer selon le cas une panne mineure, majeure ou la perte du satellite. Entre 1 et 10 cm les dommages sont très importants alors que les débris de cette taille ne peuvent être systématiquement détectés depuis le sol. L'utilisation d'un blindage ne permet de résister qu'à des débris dont la taille est inférieure à 2 cm
• < 0,1 mm : éraflure de la surface du satellite
• < 1 cm : perforation des surfaces
• < 10 cm : dégâts majeurs
A la base du
scénario de
« Gravity ».
Débris dont la taille est supérieure à une balle de golf peuvent être suivis depuis la Terre.
Perforation de 6,4 mm dans le radiateur de la navette spatiale Endeavour
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3. Débris spatiaux et collision
63
Gravity (2013) « Les 90 min de Georges »
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3. Débris spatiaux et collision
64
George : Mettez votre chrono à 90 minutes.
Sandra : Pourquoi 90 ?
Georges : Houston a mesuré la vitesse des débris à 80 000 km/h [50 000 miles/h]. Sur la base de notre orbite actuelle, je nous donne 1h30 avant que l’on se reprenne une branlée.
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3. Débris spatiaux et collision
65
Supérieure à la vitesse de libération
Orbite d’un débris à une vitesse de 80 000 km/h
𝑉𝑙𝑖𝑏é𝑟𝑎𝑡𝑖𝑜𝑛 = 2 × 𝐺 × 𝑀𝑇𝑒𝑟𝑟𝑒
𝑅𝑇𝑒𝑟𝑟𝑒
= 11 200 𝑚/𝑠 = 40 320 𝑘𝑚/ℎ
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3. Débris spatiaux et collision
66
Débris qui ont une période de 90 min Hypothèse 1 : même plan de rotation que Hubble + même sens de rotation que Hubble
Pas de collision
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3. Débris spatiaux et collision
67
Débris qui ont une période de 90 min Hypothèse 2 : même plan de rotation que Hubble + sens de rotation contraire
Collision toutes les
45 minutes
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3. Débris spatiaux et collision
68
Débris qui ont une période de 90 min Hypothèse 3 : plan de rotation différent de celui de Hubble
Collision toutes les
45 minutes
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3. Débris spatiaux et collision
69
Hypothèse de la vitesse et de l’orbite unique est fausse Retour sur l’explosion de 2009
20 min après la collision 50 min après la collision
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3. Débris spatiaux et collision
70
Utilisation du logiciel SpaceBook : http://apps.agi.com/SatelliteViewer/
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4. Déplacement dans l’espace
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4. Déplacement dans l’espace
72
Dans le film Gravity, Sandra Bullock doit passer par 3 engins spaciaux.
Télescope Hubble Altitude : 600 km Vitesse : 27 217 km/h
Station Spatiale Internationale (ISS) Altitude : 400 km
Vitesse = 27 615 km/h
Tiangong 1 Altitude : 370 km
Vitesse = 27 677 km/h
Différence d’altitude Différence de vitesse
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Physique pour Tous ! Diapo
4. Déplacement dans l’espace
73
Les orbites des 3 dispositifs spatiaux
ne sont pas contenues dans le même plan.
Les 3 satellites sont rarement à proximité des
uns des autres.
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4. Déplacement dans l’espace
74
Comment se déplacer ? On utilise les lois de la mécanique : • On vise le point de destination. • On prend appui pour donner l’impulsion initiale. • Pendant le trajet, on croise les doigts pour avoir bien visé.
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4. Déplacement dans l’espace
75
2001 l’odyssée de l’espace (1968)
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4. Déplacement dans l’espace
76
Comment se déplacer ? On utilise le MMU (Manned Maneuvering Unit)
• Masse : 148 kg • Réservoir d’azote comprimé
• Ejection d’azote par le biais de 25 tuyères
• Variation de vitesse max : 90 km/h • Autonomie : sortie extra-véhiculaire de 6h • Plus utilisé depuis 1986 (trop dangereux).
• Remplacé par le SAFER (Simplified Aid For
EVA Rescue) : système plus léger et à n’utiliser qu’en cas de secours.
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4. Déplacement dans l’espace
77
« Le MMU » dans Gravity (2013)
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4. Déplacement dans l’espace
78
Comment se déplacer ? On utilise ce que l’on a sous la main.
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4. Déplacement dans l’espace
79
Gravity (2013) « L’extincteur »
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4. Déplacement dans l’espace
80
Total Recall (2012)
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4. Déplacement dans l’espace
81
GI Joe Episode 26 saison 2 (1986)
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4. Déplacement dans l’espace
82
Gravity (2013) « Le sacrifice de Georges »
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5. Les incendies en apesanteur
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5. Les incendies en apesanteur
84
Gravity (2013) « Feu dans l’ISS »
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Physique pour Tous ! Diapo
5. Les incendies en apesanteur
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Le triangle du feu
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5. Les incendies en apesanteur
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StarTrek (2009)
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5. Les incendies en apesanteur
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La flamme d’une bougie sur Terre Les réactions
• La chaleur fait fondre la cire solide.
Zone bleue
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5. Les incendies en apesanteur
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La flamme d’une bougie sur Terre Les réactions
• La chaleur fait fondre la cire solide.
• Gazéification de la cire à 600°C : production d’acide stéarique et de chaleur
Zone bleue
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5. Les incendies en apesanteur
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La flamme d’une bougie sur Terre Les réactions
• La chaleur fait fondre la cire solide.
• Gazéification de la cire à 600°C : production d’acide stéarique et de chaleur
• Montée de la cire fondue dans la mèche
Zone bleue
Zone sombre
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5. Les incendies en apesanteur
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La flamme d’une bougie sur Terre Les réactions
• La chaleur fait fondre la cire solide.
• Gazéification de la cire à 600°C : production d’acide stéarique et de chaleur
• Montée de la cire fondue dans la mèche
Zone bleue
Zone sombre
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5. Les incendies en apesanteur
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La flamme d’une bougie sur Terre Les réactions
C18H36O2 + 26O2 18CO2 + 18H2O
• Réaction de combustion :
Réaction incomplète à 1000°C : l’acide n’est pas totalement consommé
Zone brillante
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5. Les incendies en apesanteur
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La flamme d’une bougie sur Terre Les réactions
• Réaction de combustion complète. Température inférieure à 1000°C
C18H36O2 + 26O2 18CO2 + 18H2O
• Réaction de combustion :
Réaction incomplète à 1000°C : l’acide n’est pas totalement consommé
Zone brillante
Zone peu brillante
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5. Les incendies en apesanteur
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• Phénomène de fluorescence pour la partie du bas Durant la combustion, les électrons sont excités et retournent à leur état stable en émettant une lumière bleue.
La flamme d’une bougie sur Terre Les couleurs
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5. Les incendies en apesanteur
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• Phénomène d’incandescence pour la partie supérieure
Pour une température correspond une couleur jaune / orange
• Phénomène de fluorescence
pour la partie du bas Durant la combustion, les électrons sont excités et retournent à leur état stable en émettant une lumière bleue.
La flamme d’une bougie sur Terre Les couleurs
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5. Les incendies en apesanteur
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• Phénomène d’incandescence pour la partie supérieure
Pour une température correspond une couleur jaune / orange
• Phénomène de fluorescence
pour la partie du bas Durant la combustion, les électrons sont excités et retournent à leur état stable en émettant une lumière bleue.
La flamme d’une bougie sur Terre Les couleurs
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5. Les incendies en apesanteur
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Les gaz chauds sont moins denses et montent.
La flamme d’une bougie sur Terre La forme
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5. Les incendies en apesanteur
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La flamme d’une bougie en apesanteur
La flamme d’une bougie sur Terre
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5. Les incendies en apesanteur
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La flamme d’une bougie en apesanteur
• Forme sphérique
• La combustion a lieu à l’interface avec l’air
• Faible apport d’air, faible température (couleur bleu)
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6. Rentrée dans l’atmosphère
terrestre
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6. Rentrée dans l’atmosphère terrestre
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Gravity (2013) « Rentrée dans l’atmosphère »
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Conclusion
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• Connaître les orbites des satellites autour de la Terre • Eviter les collisions avec les débris • Se déplacer d’un point à un autre dans l’espace • Survivre à un incendie en apesanteur • Rentrer sur Terre saine et sauve
Conclusion
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Pourquoi la gravité s’acharne-t-elle sur Sandra Bullock ?
• Espace = véritable milieu hostile • Véritable cause de ses mésaventures : les débris spatiaux • Pour survivre, Sandra doit maîtriser les lois de la gravité :
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Nous avons relevé plusieurs erreurs scientifiques
1. Laissez Hubble tranquille ! 2. Utilisez la bonne combinaison spatiale ! 3. Attention aux problèmes de décompression ! 4. La place d’un MMU (jet pack) est dans un musée ! 5. Les débris ne reviennent pas toutes les 90 minutes. 6. Les chocs entre astronaute et satellite sont mortels à cette vitesse. 7. George n’a pas besoin de se suicider. 8. Impossible de passer par les 3 satellites. 9. Les flammes d’un incendie n’ont pas la même forme en apesanteur que sur Terre.
Conclusion
Pourquoi la gravité s’acharne-t-elle sur Sandra Bullock ?
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Physique pour Tous ! Diapo
Il reste encore des erreurs
• Système de communication entre astronautes est obsolète. • Pas de black out des communications. • Les larmes en apesanteur restent au niveau des yeux. • . . .
Conclusion
Pourquoi la gravité s’acharne-t-elle sur Sandra Bullock ?
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Annonce de la prochaine leçon
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Interstellar (2014)
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Ne manquez pas la prochaine leçon
Mardi 16 octobre
Y-at-il un
physicien
pour
expliquer
le film
« intersteLlar » ?
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Physique pour Tous ! Diapo
1. L’espace : un milieu hostile
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Physique pour Tous ! Diapo
1. L’espace : un milieu hostile
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Navette spatiale de la NASA
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Réservoir de carburant
Propulseurs
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Lanceur Ariane V
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Physique pour Tous ! Diapo
1. L’espace : un milieu hostile
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Combinaison spatiale américaine pour sortie extra-véhiculaire
Tableau de commande de la combinaison Casque ???
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1. L’espace : un milieu hostile
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Pression
Lieu En Pascal En bar
A la surface de la Terre 10+5 Pa 1 bar
Sur la Lune 10-10 Pa 10-15 bar
Orbite basse de la Terre 10-11 Pa 10-16 bar
Vide interstellaire 10-17 Pa 10-22 bar
Vide intergalactique 10-24 Pa 10-29 bar
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Physique pour Tous ! Diapo
3. Débris spatiaux et collision
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Diagramme de Gabbard
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Physique pour Tous ! Diapo
1. L’espace : un milieu hostile
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Mission To Mars
StarWars 8
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Physique pour Tous ! Diapo
1. L’espace : un milieu hostile
115
Permis de Tuer
Total Recall