Formation des nuages - Olympiades de Physique

Lycée Ferdinand Buisson (Isère)
AUBERT Olivier
FONTANEL Thomas
GUI Jérôme
OLYMPIADES DE PHYSIQUE
« FORMATION DES NUAGES »
SOMMAIRE
1. Notre historique :
page 1
a) Le choix du sujet
b) Le parcours suivi
page 2
page 2
2. La création des nuages :
. page 3
a) La pression de vapeur saturante
b) La détente adiabatique
c) Le mélange de deux masses d air
page 4
page 6
page 8
3. Nos expériences :
. page 9
a) Le mélange de deux masses d air
1
2
3
4
Explication
Première expérience
Deuxième expérience
Résultats
page 10
.
b) La détente adiabatique
1 Explication
2 Première expérience
c) La deuxième expérience
1
2
3
4
5
6
7
8
Le verin
Le capteur de température
Le capteur de pression
La photodiode
Le capteur d hygrométrie
ORPHY
Regressi / GTI
Les résultats
4. Réalité et applications :
a) Nuage typiquement issu d une détente adiabatique
b) Nuage typiquement issu d une inversion thermique
5. Conclusion
6. Bibliographie
page 10
. page 11
.. page 12
page 12
page 13
page 13
. page 14
page 15
. page 15
.page 19
.. page 22
... page 23
..................page 25
.................. page 29
.. . page 29
.. page 30
.. page 33
page 34
page 36
page 38
... page 40
1. NOTRE HISTORIQUE
1
La météorologie est un vaste domaine que nous côtoyons chaque jour. Il est très difficile
de prévoir les aléas atmosphériques, en effet les prévisions, ou plutôt les tendances à long
terme, sont souvent laborieuses. Notre étude portera sur une infime partie de ce domaine...
a)
Le choix du sujet
Tous trois passionnés d aéronautique, nous avons décidé de nous intéresser à la voilure et à
la mécanique du vol d un avion. Nous étions même partis pour modéliser une aile d avion.
Manque de chance, en regardant sur le site des Olympiades de Physique, nous nous sommes
aperçus que le sujet était relativement prisé et trop souvent choisi, à notre goût, lors des années
précédentes : varier était une nécessité ! Nous avons donc cherché un sujet qui pouvait se
rapprocher du milieu aéronautique, tout en restant proche de la physique. Après une longue
réflexion, et tout en restant dans le domaine du ciel, nous nous sommes tournés vers la
météorologie et plus particulièrement vers la formation du nuage : notre but étant d appliquer
cette étude dans le domaine aéronautique afin de mieux appréhender les phénomènes
dangereux ou normaux pour l aviation, mais aussi, dans la vie de tous les jours. Ceci nous a
pris environ 5 à 6 heures pour bien élaborer notre problématique.
b)
Le parcours suivi
Après le choix de notre sujet, nous avons eu beaucoup de mal à cerner nos objectifs, ce
domaine étant extrêmement vaste et complexe. Notre premier objectif était de réaliser la
formation du nuage par différents moyens pour ensuite effectuer de nombreuses mesures pour
les interpréter en les appliquant dans divers domaines, comme notamment l aéronautique. Ce
fut extrêmement difficile et nos deux premières expériences n ont pas fonctionné (pour des
raisons que nous exposerons dans la suite de ce dossier). Nous étions extrêmement déçus de
voir que tous nos efforts n aboutissaient pas et, proches de l abandon nous avons choisi de
changer notre expérience. Celle-ci ne fonctionnera correctement que deux mois après la
première tentative. Ceci a énormément retardé l interprétation des résultats mais nous avons
appris, grâce à ces tentatives, que la physique était une école de patience il nous fallu dix mois
pour aboutir à un résultat. Rentrons maintenant dans le vif du sujet !
2
2. LA CREATION DES NUAGES
3
a)
La pression de vapeur saturante
La formation des nuages est essentiellement basée sur la notion de pression de vapeur
saturante.
Dans l air, les molécules d eau, sous forme gazeuse, exercent une certaine pression partielle
P(H2O), tout comme les molécules des autres gaz :
On a : P(H2O)= n(H2O)*R*T/V
La pression de vapeur saturante correspond à la pression maximale que peuvent exercer les
molécules d eau sous forme gazeuse, et elle varie en fonction de la température.
Dans une masse d air, les molécules d eau se déplacent librement et lorsque deux molécules se
percutent, elles rebondissent et repartent dans des directions opposées. Lorsque la température
diminue, la vitesse des molécules d eau diminue, certaines en se percutant restent accrochées
pour former des petites gouttelettes d eau sous forme liquide ; ce phénomène est favorisé par la
présence de petites impuretés solides. Le nuage commence donc à se former à ce moment là.
Ensuite, plus on abaisse la température et plus le nombre de gouttes d eau augmente. De même,
si l on réchauffe la masse d air, la pression de vapeur saturante devient supérieure à la pression
de la vapeur d eau et le nuage disparaît.
Nous avons voulu retrouver la courbe de la pression de vapeur saturante en fonction du
temps.
Pour cela, nous avons mis en place une petite expérience permettant de la tracer.
L idée est de remplir un ballon de laboratoire de vapeur d eau et de faire varier la température.
Nous avons donc fait bouillir de l eau un petit moment. L air est chassé par l ébullition et nous
considérons qu il ne reste plus d oxygène ou d azote, l air est donc saturé en vapeur d eau (la
pression de la vapeur d eau est égale à la pression de vapeur saturante). A ce moment là, nous
fermons le ballon grâce à un bouchon et nous laissons la température diminuer. Grâce à un
capteur de pression et à un thermomètre, nous recueillons les mesures pour obtenir la courbe.
4
Schéma de l expérience :
Capteur de
pression
Thermomètre
ORPHY
Ballon rempli d eau
sous forme liquide et
gazeuse
Pour réaliser nos mesures, nous avons utilisé REGRESSI/GTI (voir dans la partie expérience).
L ordinateur affiche en temps réel la valeur de la pression (sur l axe des ordonnées) et il nous
reste à lire la température correspondante et à la mettre sur l axe des abscisses.
La courbe que nous avons obtenue n est pas tout à fait exacte car il y avait quelques fuites
d air : en arrivant vers des températures proche de 10°C, la pression à l intérieur était proche de
celle du vide !
Courbe obtenue :
Etat liquide
Etat gazeux
5
Aidé par un météorologue de l aéroport de Saint Geoirs, nous avons retrouvé les deux
principales formations des nuages. Nous allons maintenant les présenter.
b)
Détente adiabatique
Le mot « détente » signifie diminution de la pression d une masse d air et augmentation
du volume.
Le mot « adiabatique » signifie qu il n y a pas d échanges de chaleur. Dans
l atmosphère, nous pouvons considérer qu il n y a pas de transferts de chaleur du fait de la
dimension des masses d air mises en jeu. De plus ici on ne s intéresse qu à une parcelle d air au
milieu d un volume.
Lors d une détente adiabatique, on peut considérer que PV =constante, ainsi la
diminution de la pression n est pas proportionnelle à l augmentation du volume (du fait de
l exposant ), de ce fait, la pression diminue plus que le volume n augmente. Cette loi n est
valable que pour les gaz et elle ne s applique plus si une partie de la matière contenue à
l intérieur du volume est sous forme liquide. Nous pouvons donc appliquer cette formule avant
que le nuage se forme, après d autres lois entrent en jeu. Dans l atmosphère, nous sommes
essentiellement en présence de gaz diatomiques tels que l azote et l oxygène ainsi que de gaz
triatomique tel que l eau. Dans ce cas, on peut appliquer la formule avec = 1.4.
Pour que la pression d une masse d air diminue, il faut qu elle s élève dans
l atmosphère. Pour cela, il faut un apport d énergie : un relief, le réchauffement de la terre par
les rayonnements du soleil ou bien la présence d une masse d air plus lourde permettent de
soulever la masse d air en question. Grâce à ces acteurs, la masse d air s élève et sa pression
diminue (la masse de la colonne de matière en dessus ayant diminuée). La pression diminuant
plus que le volume n augmente, le produit PV de la formule PV=nRT diminue, ainsi pour
rééquilibrer, la température diminue. Par conséquent, la pression de vapeur saturante diminue
pour finalement atteindre la pression de la vapeur d eau à l intérieur de la masse d air, le nuage
se forme alors.
6
Schéma :
Sur ce schéma, il est représenté la création d un nuage par détente adiabatique. On a vu
que plus la température diminue, plus la pression de vapeur saturante diminue. La diminution
de cette pression correspond à l augmentation de l hygrométrie (humidité relative). Le nuage se
forme lorsque l hygrométrie atteint 100% (lorsque la pression de vapeur saturante atteint la
pression de la vapeur d eau). Sur le schéma, le rapport de mélange correspond à la quantité de
vapeur d eau dans un kg d eau, ainsi lorsque le nuage commence à se former, cette quantité
diminue car l eau sous forme gazeuse passe sous forme liquide. Par conséquent, plus la
température diminue.
7
c)
Mélange de deux masses d air
Apres avoir étudié comment se formait un nuage par détente adiabatique, étudions
maintenant la formation du nuage par mélange de deux masses d air.
Cette formation se déroule dans le cas d une inversion thermique ou d un front
océanique. Le premier phénomène météorologique est fréquent dans les vallées en période
hivernale, cette inversion résulte d une température plus faible en basse couche (à faible
altitude) qu en altitude ce qui est l inverse de la situation habituelle où la température en basse
couche est normalement plus élevée qu en altitude.
Voyons comment se forme le nuage : à l occlusion des deux masses d air de
température différente, nous allons avoir une température dite moyenne. La masse d air chaude
située en haut est refroidie par la masse d air froide située en bas .Nous avons vu dans
l explication de la pression de vapeur saturante qu en diminuant la température d une masse
d air, on faisait diminuer la pression de vapeur saturante. C est exactement notre cas : la masse
d air froide refroidissant la masse chaude entraîne une baisse de pression de vapeur saturante à
l occlusion de ces deux dernières : nous avons formation du nuage étant donné que la quantité
d eau contenue dans la masse d air tiède suffit désormais pour former le nuage.
Représentons cela par une photo type :
8
3. NOS EXPERIENCES
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a) Mélange de deux masses d air
1) Explication
Après avoir étudié en partie la théorie sur la formation des nuages, l heure était
maintenant aux expériences. Des deux formations que nous avions étudiées, celle par mélange
de deux masses d air nous paraissait facilement réalisable. Il faut tout simplement réussir à
préparer deux masses d air : une chaude et humide, l autre froide et sèche et de les mélanger
dans un récipient de grande taille. En réunissant toutes nos idées, nous avons réalisé le premier
croquis de l expérience :
Emplacement
attendu du nuage
Masse d air
chaude et humide
Glace
Cheminement espéré
pour l air froid
Masse d air froid et
sec attendue
Eau chaude
Une masse d air chaude et humide est créée par la présence d eau chaude dans le
récipient devait se trouver en haut (l air chaud est plus léger que l air froid). Ensuite, de la
glace sur l un des côtés permettait de produire de l air froid et sec. Ainsi l air froid descend
pour venir se loger en dessous de l air chaud et humide. Le nuage devait donc théoriquement se
former à la rencontre des deux masses d air.
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2) Première expérience
Le croquis que nous avions fait paraissait tout de même assez complexe au niveau du
matériel. Pour la première expérience, nous avons donc décidé de faire simple afin de vérifier si
l expérience marchait bien. Le matériel se limitait à deux gourdes d eau gelée, un aquarium, de
l eau chaude et du film plastique.
Schéma :
Film plastique
Gourdes glacées
Air froid
Air chaud
et humide
Aquarium
Eau chaude
Les gourdes glacées au dessus de l aquarium devaient produire de l air froid. Celui-ci
devait ensuite passer en dessous de la masse d air chaude et humide. Le nuage devait donc se
former dans la partie basse de l aquarium.
Malheureusement, l expérience ne s est pas du tout passée comme nous l avions
prévus. Ce fut le premier échec : le nuage ne s est pas formé. Nous avons observé une énorme
quantité de buée sur les parois et nous en avons conclu qu il y avait une trop forte variation de
température contre les parois, que l air froid était très mal réparti et que l aquarium n était pas
assez isolé car une masse d air chaude et humide est plus légère qu une masse d air froide et
sèche (la densité des molécules d air chaud étant plus faible que celles de l air froid) donc en
quelques minutes la masse d air chaude est sortie de l aquarium malgré la présence d un film
plastique pour fermer en partie ce dernier.
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3)Deuxième expérience
Après les résultats décevants de la première expérience, nous en avons imaginé une
autre plus rigoureuse. Cette fois-ci, l aquarium a été remplacé par des parois isolantes en
polystyrène et une plaque en verre. Le but était de représenter la vallée de Chamonix.
Schéma :
Masse d air
chaude et humide
Plaques isolantes
Masse d air
froide et sèche
Les deux masses d air sont créées en prenant l air de l extérieur pour la masse d air
froide, et de l eau en évaporation pour la masse d air chaude. Pour les conserver, elles sont
mises dans des grands sacs poubelle. Après leur préparation, la masse d air froide est introduite
dans la « vallée », celle ci vient se placer dans le fond du fait de sa densité. Ensuite la masse
d air chaude est introduite à son tour.
Malheureusement, ce fut un deuxième échec et nous avions beau recommencer, aucune
trace de nuage n apparaissait ! Nous nous sommes rendus compte que les masses mises en jeux
se mélangeaient trop vite car en quelques secondes, nous n avions plus qu une seule masse
d air uniforme.
4) Résultats
Les échecs des deux expériences nous ont montré que le mélange de deux masses d air n était
pas la bonne solution. Les masses d air étaient beaucoup trop faibles et se mélangeaient
beaucoup trop vite, il n y avait pas de formation de nuage et il était difficile de réaliser des
mesures. Déçus, il fallait maintenant abandonner ce type d expérience et partir vers une
nouvelle formation de nuage plus facilement réalisable
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b) Détente adiabatique
1) Explication
Après l échec des deux premières expériences, nous avons décidé de partir vers une
autre formation de nuage permettant d en former un à coup sûr. En recherchant sur Internet,
une expérience avec une bouteille nous intrigua. L'expérience avait pour but de montrer que la
diminution de pression due à une détente s'exerçant sur un air humide conduit à la formation de
nuages. Ce principe nous a beaucoup plu mais réaliser un nuage à l intérieur d une bouteille
n est pas l idéal car nous voulions réaliser plusieurs mesures. L idée d un vérin nous est donc
venue. Au lieu de réaliser la détente en relâchant les parois de la bouteille, celle-ci se fait dans
le vérin, grâce à l augmentation de volume en tirant le piston.
Explication : en augmentant le volume du vérin grâce au piston, cela a pour effet de faire
diminuer la pression grâce à la formule PV1.4=constante comme il a été expliqué en page 7.
Dans la formule PV=nRT, le produit PV ayant diminué car P diminue plus que V n augmente,
le produit nRT doit donc diminuer, n et R étant constant, T diminue par conséquent. En faisant
baisser la température, la pression de vapeur saturante diminue pour finalement atteindre la
pression de la vapeur d eau à l intérieur du cylindre ; le nuage est ainsi formé.
P
Courbe de la pression de vapeur saturante
Courbe de la pression de vapeur d eau
Apparition de la
première goutte d eau
t
Situation initiale
Début de la détente
Diminution de la
pression totale
Formation du nuage
Lorsque le nuage est formé, la courbe de la pression de la vapeur d eau suit la courbe de
la pression de vapeur saturante car elle ne peut pas la dépasser, l excès d eau passant sous
forme liquide.
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2) Première expérience
Après avoir étudié toute la théorie pour former le nuage lors d une détente, nous
sommes enfin passés à la pratique.
Pour construire le vérin, nous avons trouvé au lycée un cylindre en plexiglas de 8 cm de
diamètre et de 1 m de long. Pour le piston, il s agit d un bouchon en caoutchouc accroché à une
tige filetée pour le tirer. A l autre extrémité, un deuxième bouchon en caoutchouc d un
diamètre supérieur à l autre a été utilisé pour fermer le vérin.
Schéma :
Piston
Cylindre
Bouchon
Nous avons ensuite essayé ce dispositif avec l air ambiant et le nuage est apparu du
premier coup ! Nous avions donc trouvé la bonne expérience puisqu elle fonctionnait
effectivement à tous les coups.
Malgré cette réussite, plusieurs problèmes ont commencé à apparaître :
-
Le cylindre était fendu d origine, la fente s est élargie au fur et à mesure, ce
qui a provoqué des fuites d air.
-
A force de tirer le piston en caoutchouc, l arête servant à l étanchéité s est peu
à peu dégradée, ce qui a augmenté les fuites d air.
-
Les deux bouchons en caoutchouc avaient été récupérés en mauvais état (ils
étaient secs donc moins souples) par conséquent les fuites d air ont encore
augmenté.
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c) Deuxième expérience
1 Le vérin
Avec les différents problèmes techniques du premier vérin, la construction d un
nouveau était impérative. De ce fait, début septembre, le premier vérin a été mis de côté au
profit d un autre, de meilleure qualité. Nous avons décidé de garder le même principe car il
permet de réaliser des mesures assez précises, mais aussi, car nous avions déjà résolu quelques
problèmes, ce qui nous a simplifié certaines étapes.
Le nouveau cylindre en plexiglas commandé au début du mois d octobre mesure 1m20
de long, pour un diamètre de 10 cm et une épaisseur de 5 mm ; ses dimensions ont été
agrandies car cela permet d avoir une inertie de l air contenu plus importante à l intérieur, la
masse d air se réchauffe alors un peu moins vite après la détente. Il nous a été livré après les
vacances de la Toussaint mais il est arrivé fêlé !! Nous avons donc contacté le fournisseur pour
qu il nous en renvoie un dans les plus brefs délais. Et une semaine après, il a été reçu, entier
cette fois ci !
Au niveau du piston, nous avons décidé de le modifier car le système de bouchon en
caoutchouc n était pas très fiable et il s abîmait très vite ; donc nous avons décidé d en faire un
nouveau en aluminium. Il fait maintenant 99.5 mm de diamètre, 60 mm de long et il y a deux
gorges permettant de mettre des joins pour assurer l étanchéité. Les plans ont donc été donnés à
un professeur de productique de notre lycée pour qu il le réalise.
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Au niveau du bouchon, le diamètre ayant augmenté, l ancien bouchon ne convenait
plus. Un nouveau bouchon a été commandé, il mesure maintenant 10 cm de diamètre. Nous
avons aussi percé des trous à l intérieur pour faire passer les différents fils et les arrivées d air.
Une semaine après avoir reçu le cylindre, nous avons essayé avec le piston mais nous
nous sommes rendus compte que le cylindre était plus étroit que prévu de 0.4 mm ! Le piston
ne pouvait plus passer, le professeur de productique nous a donc gentiment proposé de retailler
le piston de quelques dixièmes de millimètre. Ensuite, en installant le piston avec les joins,
l étanchéité n était pas parfaite (le cylindre n étant pas parfaitement cylindrique) et du téflon a
été rajouté dans les gorges de manière à faire ressortir un peu les joins pour qu ils soient bien
plaqués contre la paroi. Afin que le piston coulisse facilement, nous avons aussi dû utiliser de la
Vaseline pour le graisser.
Entrée et sortie d air contrôlées par une
pince de Mohr sur tube caoutchouc.
Schéma :
Cable téléphonique
à 12 conducteurs
Piston
Joins
Bouchon
Cylindre en plexiglas
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Grâce à ce nouveau cylindre, nous pouvons former un nuage dans des conditions assez
rigoureuses.
Avec ce nouveau cylindre, nous avons mis en place quatre mesures qui sont : la
pression, la température, l hygrométrie et la luminosité. Pour fixer les capteurs, nous avons
construit un support en bois où étaient accrochés les différents capteurs. Ceux ci sont soudés à
des fils venant d un câble téléphonique et à l extérieur, ils sont reliés à une plaque où sont
branchés les appareils de mesures. Malheureusement, lorsque nous avons réessayé
l expérience, le nuage n apparaissait plus ! Le problème a finalement été découvert : le bois
absorbait l eau ! Ainsi l air restait trop sec, ce qui empêchait la formation du nuage. Le support
en bois a donc été remplacé par un autre en lego puis en aluminium.
Photo :
Laser
Pt 100 et
hygromètre
17
Barre
d aluminium
Photodiode
Photo de l interface :
Légende
- G 5V
prises pour le générateur de tension 5V permettant l alimentation du
capteur d hygrométrie, du capteur de luminosité et du laser.
- Lum.
Prises pour la mesure de la tension aux bornes du capteur luminosité --
Hr.
Prises pour la mesure de la fréquence de la charge/décharge du capteur
d hygrométrie
-PT100
Alim : prises pour le générateur de courant 1mA permettant
l alimentation du capteur de température
Temp : prises pour la mesure de la tension aux bornes du capteur de
température
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2) Capteur de température
Capteur pt100
Lorsque nous formons le nuage à l intérieur du cylindre, nous voulons connaître la
valeur de la température afin de se rendre compte de la diminution de celle-ci. Nous avons donc
mis en place un capteur de température nommé la Pt100. C est une petite résistance en platine
qui est sensible à la température. Lorsque nous l avons essayée, nous nous sommes rendus
compte, le signal n étant pas assez amplifié, que la courbe que nous obtenions sur l ordinateur
n était pas assez précise (elle ne variait que de deux pixels ).
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Nous avons donc mis en place un montage nous permettant d amplifier la valeur de la
mesure. Sur le montage, le générateur de courant permet d alimenter la Pt100 avec un courant
constant de 1mA (c est le courant maximal pour celle-ci), la résistance de la Pt100 variant, la
tension à ses bornes varie donc. A cette tension, on soustrait 100mV fournie par un générateur
annexe de précision. Nous nous sommes rendus compte que le générateur de tension 100mV
variait beaucoup trop, nous avons donc modifié le montage pour obtenir une tension constante.
Cette tension est maintenant prise aux bornes d une résistance étalon de 100 ohms parcourus
par le même courant qui traverse la Pt100. Ce courant est assez simple à régler de façon précise
et stable. Après cette soustraction, le signal arrive à l amplificateur afin d être amplifier par 10,
cela permet d obtenir une mesure plus précise. La tension obtenue après l amplification est
mesurée par l appareil ORPHY qui est lui même relié à l ordinateur ce qui permet son
enregistrement.
Photo du montage
Multimètres servant à
vérifier l amplification
par 10
Capteur pt100
Boite à outil électronique
Résistance variable de
précision
Multimètre servant à vérifier
l intensité 1.00mA
Schéma électrique :
20
générateur,
soustracteur,
amplificateur,
+88.8
mA
Amps
100,0
+
X 10
1 mA
ORP
+88.8
Volts
Pt 100
ORP signifie
Voltmètre informatisé
avec ORPHY
Remarque :
Nous avons connecté quatre fils à la PT100 : deux pour l alimentation et deux pour la
mesure de la tension à ses bornes. Cela permet d avoir une mesure un peu plus précise car les
petit fils que nous utilisons ont une résistance faible mais non négligeable.
Etalonnage de la PT100 :
Les PT100 sont formées d un morceau de platine (cette matière a pour caractéristique
de changer de résistance lorsque la température varie), malheureusement les morceaux des
PT100 vendues ne sont pas tous de la même taille, aussi devons nous étalonner la notre.
La variation de la résistance de la platine est une courbe affine en fonction de la température. Il
suffit donc de réaliser une mesure pour l étalonnage.
Constante de la platine (résistance en fonction de la température en °C) :
R(T) = 100 + 0,385 T
Après avoir utilisé de la glace pour vérifier la résistance de 100 ohms de la Pt100, nous avons
pu finaliser l étalonnage. La fonction après étalonnage est donc bien : R (T) = 100 + 0.385 T
21
3) Capteur de pression
Lors de l expérience, pour suivre la variation de la pression, nous avons installé un
capteur. L appareil que nous avons choisi est couramment utilisé avec ORPHY. Il contient le
capteur ainsi qu un montage qui transforme la valeur de la pression en tension exploitable par
l ordinateur. Le capteur est ensuite relié au cylindre par un tube.
Photo du capteur
Capteur de pression
22
4) La photodiode
Afin de mieux nous rendre compte de la densité du nuage que nous formons dans notre
tube, nous avons décidé de mettre en place une photodiode. C est une diode qui est sensible à la
lumière, elle est éclairée par un stylo laser, le nuage qui se forme entre les deux sur 40 cm
diminue la quantité de lumière qui atteint la photodiode. Cela permet de voir en temps réel le
moment où le nuage apparaît puis, ensuite, d évaluer son épaisseur.
Photo :
Photodiode
Schéma électrique correspondant
laser
5V
+88.8
ORP
Volts
23
10,0 k
Elle est montée en inverse pour une simple raison : s opposer au courant. Lorsqu il y a
de la lumière, elle laisse passer proportionnellement le courant, alors que, lorsque qu il n y a
pas du tout de lumière, elle coupe complètement le circuit.
Dans notre tube, un laser est installé à 50 cm de la photodiode et son faisceau est orienté
sur la surface du capteur. Lorsque le nuage se forme, l intensité du faisceau est diminuée par les
petites gouttes d eau, ainsi le courant passant dans le circuit diminue. ORPHY nous sert ici à
calculer la tension aux bornes de R, donc si l intensité dans le circuit diminue, la tension
diminue.
24
5) Le capteur d hygrométrie
Pour étudier correctement notre nuage, nous avons décidé de mettre en place un capteur
d hygrométrie permettant de mesurer le pourcentage d humidité relative présent à l intérieur du
cylindre.
Nous avons donc cherché et trouvé un capteur nommé le HC 1000. C est un petit condensateur
sensible à la présence d eau dans l air. Pour l utiliser, la notice recommandait de réaliser un
montage nommé oscillateur bistable.
Montage :
8,06 k
7
8,06 k
6
2
4 8
A
3
555
B
1
LH100
Explication de l oscillateur astable :
Le composant 555 commande la charge et la décharge du condensateur. La charge à lieu
à travers R1 et R2 . A ce moment il relit le point 7 à la masse ce qui entraîne la décharge du
condensateur. Puis le point 7 est déconnecté de la masse et une nouvelle charge reprend. Le 555
fournit en sortie une tension 0 lors de la décharge et 1(5V) lors de la charge les variations de
tension sont analysés à l oscilloscope ce qui permet de mesurer la fréquence du phénomène.
Ainsi, plus il y a d eau dans le cylindre, plus la période est grande ; et plus la fréquence est
petite.
5V
2/3
T
t(s)
1/3
25
Montage dans notre vérin :
Hygromètre
555
Etalonnage du capteur :
Chaque capteur d hygrométrie doit être étalonné avant l utilisation afin d avoir une
mesure la plus précise possible. L étalonnage proposé par la notice était beaucoup trop
compliqué car il devait être fait dans des conditions très rigoureuses. Nous avons tout de même
demandé l avis de monsieur Bret, chercheur au CNRS à Grenoble mais l étalonnage était
définitivement trop complexe. Nous avons donc mis en place une expérience pour calibrer
notre capteur. Nous utilisons pour cela les deux entrées d air : une est raccordée à un
Erlenmeyer et l autre sert pour l évacuation de l air. Afin de faire varier l hygrométrie dans le
cylindre, nous soufflons par le tuyau A, l air passe dans de l eau chaude et se dirige vers le
cylindre. La sortie d air B fait ensuite sortir l air en surplus.
26
Malheureusement cette expérience ne s est pas passée exactement comme nous
l aurions voulu
En effet, lorsque nous soufflions trop, une grande quantité d eau arrivait dans
le cylindre et la valeur donnée par le fréquencemètre passait de 100 kHz à 0 ! Après avoir
longtemps cherché, nous nous sommes rendu compte que le condensateur se mettait en courtcircuit : il y avait tellement d eau que le condensateur se pouvait plus se charger et se
décharger. Nous avons donc séché ce composant et les expériences suivantes, nous avons fait
particulièrement attention à ce phénomène.
Schéma :
A
B
Hr
45%
Air enrichi en vapeur d eau
Eau chaude
En soufflant petit à petit, nous faisons augmenter l hygrométrie. Le capteur
d hygrométrie étant relié à oscilloscope, cela nous permet d avoir la valeur de la fréquence et
celle de l hygrométrie correspondante donnée grâce à un autre capteur déjà étalonné.
27
Nous avons donc obtenu ces mesures :
Fréquence obtenue
grâce au capteur
d hygrométrie (kHz)
100.6
99.4
99.3
Valeur de
l hygrométrie
correspondante
25%
35%
41%
Fréquence obtenue
grâce au capteur
d hygrométrie (kHz)
95.2
86.8
76.2
Valeur de
l hygrométrie
correspondante
53%
69%
88%
Graphique :
Courbe de l'hygrométrie en fonction
de la fréquence du capteur
Hygrométrie (%)
120
100
80
60
40
20
0
0
20
40
60
Fréquence du capteur (kHz)
28
80
100
6) ORPHY
Pour réaliser nos mesures, nous avons eu besoin d un appareil permettant de relier notre
montage à un ordinateur. Nous avons donc trouvé un appareil utilisé auparavant en seconde en
Mesures Physique Informatique : ORPHY. Cet appareil comporte de nombreux ports
permettant de relier des montages. Il comporte à l intérieur un CAN (Convertisseur Analogique
Numérique) qui permet de convertir une valeur analogique de tension en valeur numérique
exploitable par l ordinateur.
7) REGRESSI / GTI
REGRESSI / GTI est un logiciel sur ordinateur permettant de réaliser des mesures. Il est
justement fait pour entrer en relation avec l appareil ORPHY. Il permet de réaliser des
acquisitions, grâce à la partie GTI, sous forme de courbe en fonction du temps. Nous l avons
donc utilisé pour afficher en temps réel la température, la luminosité et la pression. La partie
REGRESSI permet de récupérer des valeurs enregistrées par GTI et de les exploiter par la suite.
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8) Résultats
Au niveau de l expérience, deux cas précis ont été étudiés : formation de nuage avec de
l air humide et formation de nuages avec de l air sec. Après avoir réalisé les expériences, deux
courbes ont été obtenues grâce au logiciel REGRESSI. Nous allons maintenant les étudier.
Il y a trois mesures : la température (courbe en vert), la pression(courbe en bleu) et la
luminosité (courbe en rouge).
Expérience réalisée avec de l air humide :
t0 t 1
t2
t3
t4
Luminosité
Température
Pression
étape
Initiale
augmentation
du volume
augmentation de la pression
A l étape initiale, les trois grandeurs sont stabilisées.
A partir de t0, nous commençons à tirer le piston ce qui fait diminuer la pression
immédiatement. La baisse de pression entraîne une diminution de la température et par
conséquent une diminution de la pression de vapeur saturante. A t1, la pression de vapeur
saturante a atteint la pression de la vapeur, le nuage commence à se former, on observe donc un
début de diminution de la luminosité.
On peut remarquer que lorsque le nuage commence à se former, les formules PV=nRT
et PV1.4 = K ne sont plus valables car elles sont utilisées uniquement en présence de gaz or ici le
nuage vient de se former donc il y a dans le vérin une quantité non négligeable de matière sous
forme liquide.
A mesure donc que l on augmente le volume, la pression la température et la luminosité
diminuent.
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La variation de la température nous a tout de même étonnée car elle varie très peut
durant l expérience. Nous nous sommes alors rendu compte que nous avions oublié un détail
très important : celui de l énergie libérée lors de la formation du nuage. En effet, pour liquéfier
un gaz, de l eau dans ce cas là, il faut diminuer l énergie cinétique emmagasinée par les
molécules afin qu elles puissent rester accrochées entre elles pour former une goutte d eau.
L énergie libérée est alors récupérée par l air environnant ce qui a pour conséquence de le
réchauffer. Cela explique que la température ne baisse pas énormément. D autre part le vérin et
la barre d aluminium réchauffe également l air, ce qui a le même effet.
A l instant t2, nous avons arrêté de tirer, la pression remonte petit à petit du fait de
l élévation de température et de la présence de quelles fuites d air.
On peut remarquer que la température ne remonte pas simultanément avec la pression,
la pression de vapeur saturante ne remonterait donc pas. Or à t3, le nuage a disparu ! La
pression de vapeur saturante est donc supérieure à la pression de la vapeur d eau. Si nous
suivons les courbes, la pression de la vapeur d eau remonte après la disparition du nuage alors
que la pression de la vapeur saturante continue de baisser ; ce qui est impossible. Nous pensons
que l origine du problème vienne du temps de réponse de la Pt100 qui est important dans l air.
La courbe de la variation de la température est déformée et en retard par rapport à la réalité.
Nous avons essayé de limiter ce problème en l utilisant sans protection. De même nous
n avons pas trouvé d autre capteur malgré de nombreuses recherches.
On peut remarquer aussi que la disparition du nuage est due à un gain d énergie
cinétique de la part des molécules d eau. Cette énergie est alors cédée par l air dans le vérin ce
qui refroidit l air et empêche la température de remonter.
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Nous allons maintenant étudier un deuxième cas, la formation du nuage avec de l air beaucoup
plus sec.
Courbe :
t0 t1
t2
étape augmentation
initiale du volume
t 3 t4
augmentation de la pression
Nous constatons que le nuage ne se forme pas car il y a beaucoup moins d eau dans le
cylindre. Par conséquent, il n y a pas d énergie libérée lors de la formation de gouttelettes, la
température diminue donc plus.
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4. REALITE ET APPLICATIONS
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Apres avoir étudié la formation du nuage par différentes méthodes, intéressons nous
maintenant au type de nuages qui peuvent être formés lors d une inversion thermique
(expériences 1 et 2) et lors d une détente adiabatique (expériences 4 et 5) qui ont des
répercutions en aéronautique.
a) Nuages typiquement issus d une détente adiabatique :
Le cumulus :
Ce nuage est très souvent rencontré lors de belle journée d été où le rayonnement est
relativement important : en effet celui-ci provoque une évaporation de l eau contenu dans le
sol, en s élevant la masse d air humide voit sa température (détente adiabatique) ainsi que sa
pression de vapeur saturante diminuer, la quantité d eau nécessaire pour former le nuage, elle
aussi, diminue à son tour (voir explication de pression de vapeur saturante si dessus). Nous
avons donc suivant le taux d humidité contenu dans cette masse d air, formation du nuage
entre 600 et 1200 m d altitude.
Le cumulus, suivant le rayonnement du soleil, peut se transformer en cumulus congestus. Pour
simplifier, c est un cumulus possédant une extension verticale assez importante, voir même, en
cumulo-nimbus où là, l extension verticale est fulgurante (au minimum 6000m jusqu à la
tropopause) : c est un nuage responsable d orage. Voici les photos de ce dernier :
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Cumulo-nimbus :
Conséquence pour l aéronautique :
Le cumulus reste un nuage tout à fait anodin pour l aéronautique, il est siège de légers
courants ascendants provoquant ainsi quelques turbulences légères, utilisés par les oiseaux, les
pilotes de planeurs et les parapentistes.
Les cumulus congestus et cumulo-nimbus sont eux, par contre, des nuages très redoutés
des pilotes ; ils sont siège de courants ascendant très instables (les masses d air vont
constamment monter et ne garderont jamais leur position initiale). La vitesse peut atteindre plus
de 10000 ft par minute ce qui est considérable pour un simple avion de tourisme ou même de
ligne .Ils sont aussi à l origine de fortes rafales de vent, voir d orages (lorsqu ils atteignent la
tropopause (10000 à 15000 m d altitude), ils ne peuvent plus monter ils vont donc « s étaler »
pour former les fameux nuages « enclume » responsables de fortes précipitations telles que,
pluie d orage et la grêle). Ces nuages sont très souvent signalés par les organismes du contrôle
aérien.
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b) Nuage typiquement issu d une inversion thermique :
Le stratus :
Ce nuage est fréquent en hiver lorsque règnent de puissants anticyclones. En fond de
vallées, il se forme ce qu on appelle communément « la mer de nuage ». En effet, lors d une
inversion thermique comme nous l avons exposé précédemment, nous avons une température
plus élevée en haut qu en bas à l occlusion de ces deux masses d air, nous avons formation du
nuage (voir partie 2, condensation lors du mélange de deux masses d air), celui-ci, dans la
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plupart des cas, est de la famille du stratus. Il est caractérisé par sa très faible hauteur de
situation et touche parfois le sol. Lorsque la pression atmosphérique n est pas suffisamment
forte pour « pousser » les stratus vers le bas et que le rayonnement est suffisant pour les faire
monter, les stratus se transforment en cours de journée, en cumulus, nuages présentés ci-dessus,
il y a alors une éclaircie.
Conséquence pour l aéronautique :
Le stratus est aussi un nuage fortement redouté des pilotes car il se situe le plus souvent
entre le sol et 300 m d altitude. Il peut, dans certains cas, bloquer les circuits d atterrissage, la
visibilité à l intérieur du nuage variant entre 0 et 2 kilomètres.
Ce nuage est d autant plus dangereux pour le pilote qu il peut être extrêmement localisé
(comme sur des terrains humides). Un pilote peut très bien partir avec un ciel parfaitement
dégagé sur son terrain de départ et, à l arrivée sur son terrain de destination, trouver une
importante couche de stratus l empêchant d atterrir et le contraignant à se dérouter.
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5. CONCLUSION
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C est avec beaucoup de satisfaction que nous arrivons au terme de ce projet.
Le sujet étant très vaste, ce n est qu en septembre 2005 que nous avons réussi à fixer
une problématique claire. De là s ensuit une véritable course contre la montre pour acquérir
tous les composants dont nous avons besoin pour réaliser l expérience (vérin, capteur,
piston,
).
Nous avons rencontré de nombreuses difficultés : méthodes de mesures, mise en place d une
expérience fiable, interprétation des résultats,
Aussi notre joie est immense devant le travail
accompli et la réussite de notre expérience.
Nous tenions à remercier M Prey pour sa patience et son aide précieuse dans la réalisation des
montages électriques et ses explications sur la formation des nuages.
Nous remercions aussi tous les chercheurs qui nous ont aidés et apportés de nombreux conseils
pour la constitution de ce dossier lors des Olympiades à Annecy, le 6 décembre 2005.
Nous voici au terme de notre quête, nous sommes heureux de vous avoir présenté ce TPE et
nous espérons avoir apporté quelques éclaircies sur les zones d ombres qui entourent les
nuages !
Les physiciens en herbe
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6. BIBLIOGRAPHIE
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BOUTIGNY, J. Thermodynamique. Vuibert, 1986.
CHALON, J-P. Combien pèse un nuage ? ou pourquoi les nuages ne tombent pas. Bulles
de Sciences, 2002.
Météo France. (Page consultée le14 février 2005)
Adresse URL : http://www.meteofrance.com/FR/glossaire/index.jsp
Cours de MPI (Mesures Physique Informatisées). Lycée Ferdinand Buisson, 2003.
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