PARABOLE 2015 Lycée Julliot de la Morandière de Granville

PARABOLE 2015
Lycée Julliot de la Morandière de Granville
« Projet mouche »
Le projet Zéro-G 2015 au lycée La Morandière est une bonne surprise. Les participations aux Olympiades de
Sciences de l’Ingénieur, au concours C-génial et aux concours académiques ont en effet amené une culture et
un gout de l’invention scientifique chez les élèves et leurs professeurs.
Depuis deux ans nous cherchons à lancer une candidature Zéro-G. Le BIA, proposé avec succès aux élèves
en partenariat avec l’aérodrome de Bréville depuis 3 ans, aura peut-être généré quelques vocations cette
année. Un groupe d’élèves exceptionnels par leur curiosité et leur autonomie a décidé de partir à l’aventure.
L’équipe comporte 10 élèves :
Justine Couenne (TS SVT), Arthur Antoine (TermS SI) Yann Busson (TermS SVT), Clément Contentin (TermS
SVT), Vincent Cotillard TermS SI), Damien Heleine(TermS SI), Théo Levavasseur (1ere S SI), Gaspar Thieulin
(TermS SI), Charly Trassard, Victor Vassal (1ere S SI)
Deux professeurs : Philippe Gires (SPC) et Alain Charbonnel (SI).
Didier Ruppert (SI) nous accompagnera dans le projet.
Les objectifs pédagogiques sont nombreux :
- offrir aux élèves la possibilité d’exprimer et approfondir leurs connaissances (pression, champ magnétique,
mécanique, cohésion des solides) en autonomie et en équipe.
- découvrir les plaisirs de la création scientifique et des échanges avec des scientifiques chevronnés
(Pilotes, chercheurs, techniciens, ingénieurs,…)
-créer des documents originaux pouvant être valorisés lors des manifestations institutionnelles (fête de la
science, portes, journées académiques) et sur les sites institutionnels.
- transmettre l’envie d’une démarche de projet ambitieuse à la génération montante du lycée.
Les objectifs individuels sont variés, le plaisir de manipulations originales, l’envie de se rapprocher des univers
de l’ingénieurerie, de la recherche et de l’aérospatiale… En annexe, la fiche de présentation de l’équipe
détaille les motivations individuelles.
Description des expériences proposées :
Si certaines manipulations proposées s’inscrive dans la continuité des travaux réalisés lors des TPE 2014 :
Magnétisme (le labyrinthe électromagnétique), Médecine aérospatiale (mesure d’accélération en
centrifugeuse), Fractales (cristallographie et corrosion de poumon). D’autres ont une origine plus
anecdotique (invasion de mouches début septembre à Granville, proximité de la mer et interrogation sur la
nage des poissons finalement abandonnée suite à notre rencontre avec Christophe Le Deit qui a 4 vols à son
actif !!!!).
Expérience 1 : Vole de mouches sur la Lune. Damien et Yann. Voir plus en détails page 4
Hypothèse : Le vol des mouches, aléatoire en impesanteur, peut être guidé par un champ magnétique fort. On
simule ainsi un vol de mouche lunaire.
Manipulation : Dans une boite, on enregistre le comportement de mouches avec ou sans aimant néodyme.
Dans une autre boite des expériences de lévitation diamagnétique en impesanteur et en phase de ressource
sont filmées.
Résultat attendu : Les mouches décollent, se retournent et se déplacent en utilisant les lignes de champ. Les
lignes de champs sont mises en évidence par la lévitation structurée de la poudre de graphite.
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Expérience 2 : Pression dans l’eau en impesanteur. Gaspard et Vincent.
Hypothèse : En impesanteur la pression hydrostatique disparait, la pression ne dépend plus de la profondeur.
Manipulation : Dans une boite verticale (50 cm), on accroche un ballon dégonflé (au fond), et on place 3
capteurs de pression, après avoir rempli la boite d’eau on fait le vide et on ferme les vannes.
Résultat attendu : En impesanteur le ballon se gonfle et la pression mesurée est la même partout. (Pression
de vapeur saturante de l’eau). En phase de ressource le ballon se dégonfle.
Expérience 3 : Accélération et hypoxie. Théo et Charly. Voir plus en détails page 6
Hypothèse : Il est possible de réaliser une maquette permettant d’illustrer et de mesurer les phénomènes
physiologiques mis en jeu lors d’une accélération.
Manipulation : Simulation de la circulation sanguine avec une pompe à dialyse commandée par un
microcontrôleur et un circuit de circulation comportant des tuyaux élastiques.
Résultat attendu : Intensité dans la pompe et débit variables, pincement des tuyaux élastiques en partie haute
et dilatation en partie basse. Validation de l’hypothèse d’une hyperoxie euphorisante en apesanteur.
Expérience 4 : Que se passe-t-il lorsqu’on écrase un tube de dentifrice en impesanteur ? Arthur.
Hypothèse : Conservation de la quantité de mouvement
Manipulation : Modélisation par l’éclatement d’un système mécanique en impesanteur. Essais avec un tube
de dentifrice.
Résultat attendu : Vidéo exploitable dans le cadre du programme de Terminale S.
Expérience 5 : Echanges thermiques et émulsion en impesanteur. Clément. Voir plus en détails page 7
Hypothèse : L’impesanteur permet d’illustrer la loi en chimie du « qui se ressemble s’assemble ».
Manipulation : Faire geler l’eau. Faire bruler une bougie. Réaliser une émulsion huile eau. Evaporer l’eau sous
pression réduite.
Résultat attendu : Une cristallisation particulière. Des échanges thermiques réduits. Des gouttes d’huile et
bulles de vapeur d’eau plus grosses avec des surfaces de contact minimum avec l’eau.
Expérience 6 : Navigation d’un sous-marin en impesanteur. Justine et Victor.
Hypothése : Selon le caractère hydrophile ou hydrophobe du traitement appliqué à la surface du sous-marin
la sortie de sa bulle d’eau est différente.
Manipulation : Dans une enceinte rectangulaire étanche, on lève une paroi verticale coulissante. Un « mur »
d’eau vertical se forme. Sur la paroi en vis-à-vis on lance un « sous-marin » radiocommandé (fabrication
maison miniaturisée à partir d’un vibreur de téléphone portable 4 cm. On observe la sortie du sous marin du
mur d’eau. Plus simplement (moins spectaculaire) des « missiles » peuvent être lancés verticalement vers le
haut dans un récipient à moitié rempli d’eau.
Résultat attendu : Dans le cas d’un traitement hydrophile de la coque, l’eau suit le « sous-marin ».
Note du professeur : Difficile de se limiter dans l’effervescence qui accompagne la mise en route du projet,
nous serons satisfait si 3 des expériences sont retenues … J’ai reformulé certaines expériences en espérant ne
pas trahir les auteurs. Les protocoles reçus sont transmis dans le fichier annexe expériences.
Cadre général du projet :
- Les élèves de Première pourront inscrire le projet dans leur TPE, le vol n’étant pas assuré, un dispositif de
chute libre sera associé afin de réaliser une validation à minima de la maquette réalisée. Après accord avec les
forains, une expérimentation dans le manège « La tour infernale » réalisant une chute libre sera médiatisée.
- La mise à disposition d’un local.
- Pour les élèves de Terminale, le fonctionnement sera celui rodé avec succès en TPE pour les manipulations
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ambitieuses : mise à disposition des salles et du matériel, encadrement à la demande par le professeur
responsable et ses collègues disponibles et volontaires. La souplesse permettra aux élèves de remplir leurs
objectifs de résultats. Ponctuellement des temps longs seront réservés le mercredi après-midi pour
finaliser les manipulations. Une orientation des parties de programme correspondantes permettra d’associer la
spécialité de physique chimie et les sciences de l’ingénieur.
- Une demande d’atelier scientifique sera faite pour ce projet, (1 heure par semaine + subvention).
- Réinvestissement des résultats :
Finalisation des documents vidéo et numériques,
Communication à l’ensemble des élèves du lycée en salle polyvalente (300 places)
Présentation ouverte au public en fin de journée. (Invitation à la presse et élus locaux)
- Intérêt scientifique du projet : Nous n’avons pas trouvé de référence de « vol guidé » de mouche en
impesanteur, si c’est une première, la réaction à l’accélération magnétique subie sera une surprise.
- Plan de communication préliminaire sur ce projet :
Une information dans la presse régionale Ouest-France et La Manche Libre avec une présentation du projet
et une invitation aux partenaires privés, la création d’un site internet dédié, des émissions sur la radio du
lycée, des articles sur le site du lycée, la TV et la radio régionale en cas de sélection finale.
- Plan de valorisation pédagogique préliminaire :
Le lancement du projet à été collégial : l’ensemble des équipes pédagogiques de SPC et SI est associée au
projet, la discussion autour des premières propositions d’expérimentation a permis de faire respirer aux
classes l’air du large, et de les préparer ainsi à la démarche attendue en tpe ou en projet de terminale SI.
- Budget prévisionnel
- Matériaux et dispositifs de mesure : 600 euros.
- Transport : 1000 euros. 2 AR prof + AR équipe
- Sources de financement prévues : (évolutives en fonction des dons en nature et financements privés)
- Matériaux et dispositifs de mesure : Dispositifs académiques et budget TPE
- Transport : Lycée.
Remarque : Lorsque le projet sera bien engagé une demande de sponsoring est prévue auprès des
entreprises amies de la CCI.
Philippe Gires et Alain Charbonnel.
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Expérience 1 : Vols de mouches sur la Lune, où comment simuler la
(mini)gravité en impesanteur !
Théorie : Les atomes d’un corps diamagnétique ne possède pas de dipôle magnétique (absence
d’électron "célibataire ") : dans un champ magnétique, ce corps acquiert un moment magnétique
dirigé en sens inverse du champ. Il en résulte une force colinéaire aux lignes de champs qui tend à
éloigner la mouche de l’aimant.
L’expérience que l’on ne peut pas faire dans un lycée sur Terre :
La force correspondante a été utilisée par une équipe de chercheurs européens pour faire léviter des
mouches dans un champ magnétique de 10 à 20 tesla et simuler ainsi l’impesanteur à la surface de la
Terre.
F
Bobine Supraconductrice
P
Boite à mouche.
Leur conclusion est une possibilité de lévitation et une suractivité des mouches indépendante de la
valeur du champ lorsqu’elles lévitent. (1)
(1) Effect of magnetically simulated zero-gravity and enhanced gravity on the walk of the
common
fruitfly
In
Journal
of
the
Royal
Society.
http://rsif.royalsocietypublishing.org/content/early/2012/01/04/rsif.2011.0715.abstract?s
id=c3391aea-faf8-4354-9b2d-14df61305b79
L’expérience proposée en impesanteur ou microgravité :
Hypothèse : En microgravité, le champ supraconducteur n’est plus nécessaire, le champ d’un aimant
néodyme doit pouvoir suffire à faire décoller les mouches et elles doivent s’éloigner le l’aimant en
suivant les lignes de champ.
Liste de matériel :
- Aimant néodyme.
- Boite aérée.
- Mousse ou bas pour le filet permettant de limiter les risques pour la population de mouche.
- Kit d’élevage des mouches du vinaigre (drosophiles) SVT
- Caméra rapide avec une bonne définition puis ordinateur logiciel de traitement de l’image.
- Accéléromètre.
Protocole : L’activité d’une quinzaine de mouche est filmée pour être interprétée au retour à terre
par un traitement image par image.
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Schéma :
Mousse ou filet antichoc
Mousse ou filet antichoc
Aimant néodyme
Résultat espéré : Le tracé des trajectoires doit permettre de mettre en évidence la lévitation en
microgravité (0,1 g) et une répulsion guidée selon les lignes de champ en impesanteur. On peut alors
espérer un comportement semblable pour une force magnétique identique au poids sur la Lune.
Seule l’orientation change, les mouches peuvent voler sur le dos !
Variantes : Si l’utilisation de mouches vivantes est proscrite, un autre diamagnétique inerte (billes de
polystyrène colorées…) permettra de mettre en évidence le phénomène spectaculaire de répulsion
guidée. Un feu d’artifice magnétique peut être réalisé avec des poudres colorées.
La mise en évidence de forces d’interactions faibles, avec la pulvérisation de microgouttes de
différents liquides colorés dans le champ magnétique et la comparaison des taches obtenues sur une
feuille.
L’étude du vol d’une mouche en impesanteur : Dans une cage aux parois électrisées, Damien
compare l’activité de la mouche au sol et en vol.
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Expérience 3 : Accélération et hypoxie
Hypothèse : Lors d’une accélération un pilote peut subir jusqu'à 7 g, l’alimentation du cerveau n’est
plus assurée et il subit un voile gris, rouge puis noir avant éventuellement de perdre connaissance.
Les veines se dilatent en partie basse et se pincent en partie haute. Sous l’action de cette accélération
le volume sanguin qui parvient au cerveau est alors réduit, les combinaisons anti g permettent de
diminuer cet effet, il est aussi possible que les hématies légèrement plus denses subissent une
décantation accélérée qui amplifie le phénomène d’hypoxie.
L’expérience proposée en impesanteur ou microgravité :
Liste de matériel :
-
Pompe commandée avec dispositif de mesure.
Tuyau transparent rigide 20mm (artères), raccords en cuivres, colliers.
Chambre à air ou tuyau plastique ou caoutchouc élastique (veines).
Plaque d’aluminium.
Eau + Nacl : sérum physiologique.
Billes de plastique légèrement plus denses que l’eau ou paillettes.
Caméra rapide avec une bonne définition puis ordinateur logiciel de traitement de l’image.
Accéléromètre.
Protocole : La pompe fait circuler par paliers le liquide en entrainant les billes ou les paillettes,
rythme variable.
On mesure la consommation électrique de la pompe, les vitesses des liquides, la pression interne et
on visualise les deux effets avec une caméra rapide.
M
Tube transparent rigide
Paroi élastique Tube en latex.
Hauteur maximale dans le caisson (700 mm), Largeur en fonction de la place disponible.
Résultat espéré : Moins de paillettes en partie haute en ressource 1,8 g/ impesanteur dilatation
visible en partie basse et pincement des parties élastiques en partie haute, consommation de la pompe
plus importante en 1,8 g et un débit plus faible.
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Expérience 5 : Echanges thermiques et émulsion en apesanteur
Expérience n°5.1 : Obtenir un glaçon en impesanteur
Problématique :
Sur Terre, quand l’eau (H2O) gèle (quand elle se solidifie : passe de l’état liquide à l’état solide), elle
« épouse » le support sur ou dans lequel elle se trouve. De plus, le dessus de l’eau (et après de la
glace) est toujours horizontale : il est ainsi toujours parallèle à la surface de la mer (si on la laisse se
solidifier sans y toucher, sans mouvement). Mais alors, comment gèlerais l’eau en impesanteur ?
Sachant que l’eau planerait et formerait ainsi une « boule », garderait-elle une forme de sphère ? Ou
alors se solidifierait-elle de façon totalement désordonnée (avec par exemple, pleins de pics dans
toutes les directions) un peu comme un flocon de neige mais en plus gros ?
Matériel :
- Une petite quantité d’eau (minérale ou distillée ?)
- Un caisson hermétique (pour ne pas que l’eau se disperse dans l’avion et gène d’autres
expériences)
- Un dispositif pour refroidir très vite la petite quantité d’eau. Suppositions : du butane
liquide ?
(que
l’on
trouve
dans
les
recharges
de
briquet
par
exemple :
http://www.youtube.com/watch?v=_yREsfYiNtA ), un tout petit congélateur très puissant et très
rapide ? ou encore un autre produit chimique gelant l’eau très vite (ou encore utiliser la surfusion si
cela est possible)
- Un thermomètre
- Une caméra avec « slow motion » , une caméra thermique.
Protocole expérimental :
- Verser la petite quantité d’eau dans le caisson hermétique (ou dans le congélateur si
congélateur).
- Allumer la caméra et le thermomètre électronique et attendre que l’avion passe en zéro-G
- Une fois en impesanteur, observer la solidification de l’eau (ou appliquer le butane liquide),
prendre des notes et relever les températures
- Si possible, ramasser ensuite la « boule » de glace et la placer dans une glaciaire ou un petit
congélateur afin de conserver le résultat obtenu
Expérience n°5.2 : Observer une bougie et la chaleur qu’elle émet en impesanteur
Problématique :
Sur Terre, lorsque nous plaçons un thermomètre au-dessus d’une bougie, on peut remarquer que la
température monte très vite (car l’air chaud est plus léger que l’air à température ambiante). Mais en
serait-il de même en impesanteur ?
Matériel :
- Un caisson ouvert pour ne pas que la flamme étouffe par manque de dioxygène (O2)
- Une bougie
- Un briquet (ou des allumettes)
- Plusieurs thermomètres électroniques) placés à différents endroits du caisson
- Une caméra DV et la caméra thermique du lycée pour pouvoir conserver la scène et
l’analyser par la suite
Protocole expérimental :
- Allumer la caméra
- Allumer la bougie avant de passer en zéro-G et relever les différentes températures
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- Une fois en zéro-G, observer ce qu’il se passe et relever de nouveau les différentes
températures. La chaleur devrait normalement se disperser partout dans le caisson. Prendre des
notes.
- Eteindre la bougie pour ne pas consommer trop de dioxygène
Expérience n°5.3 : Eau et huile
Matériel :
- Un ballon de baudruche
- De l’eau
- De l’huile (autant d’huile que d’eau)
- Une aiguille
- Une caméra slow motion
- Une bouteille
- Deux sacs congélateur assez grand
Protocole expérimental :
- Gonfler le ballon de baudruche et le dégonfler pour le dilater (il sera ainsi plus facile de
verser le mélange dedans)
- Agiter la bouteille contenant autant d’huile que d’eau pour que le mélange soit à peu près
homogène (mais pas trop agiter non plus ?)
- Verser le contenu de la bouteille dans le ballon de baudruche et placer le ballon dans le
caisson presque hermétique (avec seulement une ouverture pour pouvoir percer le ballon)
- Allumer la caméra et attendre d’être en impesanteur
- Une fois en impesanteur, attendre que le ballon « plane » et le percer avec l’aiguille.
Observer ce qu’il se passe : deux hypothèses :
_ L’eau et l’huile restent ensemble et ne forme qu’une seule grosse « goutte »
_ L’eau et l’huile se séparent et forment deux « gouttes » distinctes
- Ramasser la ou les gouttes dans le/les sacs congélateur pour ne pas que l’eau et/ou l’huile
sortent par l’ouverture et gênent les autres expériences.
- Prendre des notes
Expérience 5.4 : Faire bouillir de l’eau en impesanteur
Matériel :
- Bouteille en plastique transparent.
- Pompe à vide de caviste.
- Bouteille thermos.
- Entonnoir.
- Caméra minidv et caméra thermique du lycée.
- Bombe d’imperméabilisant pour renforcer les propriétés hydrophobes des parois.
- Thermomètre électronique.
Protocole expérimental :
- Remplir la bouteille hydrophobe avec de l’eau chaude.
- Mettre le bouchon à vide.
- En impesanteur faire le vide.
- Observer les effets thermiques et la formation des bulles.
- Réaliser un film.
- Interpréter le résultat.
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