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Séquence pédagogique

Les objets dans l’espace

Une série de questions-réponses de physique-chimie au collège, dans le cadre des thèmes de convergence que sont l’énergie, l’environnement et le développement durable. Des « Arrêts sur notion » abordent plus particulièrement un point, en le rattachant aux programmes, avec souvent une approche expérimentale.

  • Le véhicule de transfert automatique (ATV) sous la coiffe d’Ariane 5
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© Esa/Ducros David, 2005

Question 1 : La photo présente la fusée Ariane 5 qui expulse sa coiffe pour libérer l’ATV. Que deviennent ces éléments expulsés ?

Réponse 1 : Ces éléments ne restent pas dans l’espace, mais retombent sur Terre.

Question 2 : Pourquoi ces débris ne risquent-ils pas de nous tomber sur la tête ?

Réponse 2 : Ces débris seront désintégrés en pénétrant dans l’atmosphère terrestre.

Question 3 : L’ATV et l’ISS à laquelle il s’arrime ont une durée de vie limitée. Que deviendront-ils une fois inutilisables ?

Réponse 3 : À la différence de la coiffe expulsée, les satellites, l’ATV ou l’ISS ne retombent pas sur Terre et resteront placés en orbite autour de celle-ci sans être détruits.

Question 4 : Quelles sont les conséquences de la présence de ces objets autour de notre planète ?

Réponse 4 : Ces objets devenus inutilisables polluent l’espace en encombrant la banlieue terrestre. De ce fait, ils peuvent également entrer en collision avec des appareils récents en fonctionnement, donc être à l’origine de dégâts matériels.

Question 5 : Proposez des idées pour remédier à ce problème de déchets spatiaux en vous inspirant de démarches citoyennes qui existent à votre échelle.

Réponse 5 :

  • Récupération, tri puis recyclage de ces matériaux non biodégradables.
  • Construction de matériaux spatiaux biodégradables. Cette solution serait la plus réaliste économiquement et matériellement.

Physique-chimie

  • Arrêt sur notion : La chute des corps sur Terre
Dans les programmes Notion
niveau

3e

« Mouvement et forces » et spécifiquement les parties « Comment peut-on décrire le mouvement d’un objet ? »Chute d’un objet sur Terre, représentation des forces appliquées par des vecteurs.

Question (a) : On s’intéressera à un seul morceau de la coiffe d’Ariane 5 et on supposera pour simplifier que l’atmosphère de la Terre ne perturbe pas son mouvement.

À quelle force le morceau de la coiffe est-il soumis lors de sa chute ? Représentez cette force de manière adéquate.

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Réponse (a) : L’objet n’est soumis qu’à la force d’attraction que la Terre exerce sur lui.

On représente cette force par un vecteur \vec{F} dont le point d’application est le centre de gravité de l’objet. Ce vecteur est dirigé vers le centre de la Terre.

Question (b) : À quel savant doit-on la théorie au sujet de cette force ?

Réponse (b) : C’est au savant anglais Isaac Newton (1642-1727) que l’on doit la théorie de la gravitation universelle qui émet l’hypothèse que tous les corps sont attirés par la Terre.

Physique-chimie

  • Arrêt sur notion : Les frottements de l’air dans l’atmosphère
Dans les programmes Notion
niveau

4e

« De l’air qui nous entoure à la molécule » et spécifiquement les parties « Composition de l’air » et « Une description moléculaire pour comprendre ».Description moléculaire de l’air pour comprendre les frottements de l’air.

Question (a) : Pourquoi dit-on que les débris qui pénètrent dans l’atmosphère une fois éjectés sont « consumés » ou « brûlés » ?

Réponse (a) : C’est la rencontre à très grande vitesse avec l’air de l’atmosphère qui échauffe les matériaux constituant la coiffe puis les consument complètement. On dit que l’air exerce des forces de frottements sur l’objet.

Question (b) : Proposez une expérience simple qui permette de se rendre compte que des frottements (pas nécessairement de l’air) provoquent une élévation de la température.

Expérience et réponse (b) : Les conséquences des frottements se visualisent facilement lorsqu’on met en contact à grande vitesse deux objets solides : par exemple, une paume de main qui passe très rapidement sur le dessus d’un jean…

Question (c) : Les frottements sont donc responsables de l’échauffement du matériau. Mais qu’est-ce qui frotte exactement le matériau ?

Réponse (c) : C’est bien l’air qui frotte le matériau ! Au niveau microscopique, le matériau s’échauffe au contact rapide avec les molécules d’air (comme la main s’échauffe au contact rapide avec le jean). Plus précisément, ce sont des milliards de milliards de molécules de diazote (78 %) et de molécules de dioxygène (21 %) qui frottent le matériau constituant la coiffe en train de retomber sur Terre.

  • Arrêt sur notion : Mouvements de l’ATV autour de la Terre
Dans les programmes Notion
niveau

3e

« Mouvement et forces » et spécifiquement la partie « Comment peut-on décrire le mouvement d’un objet ? ».Mouvements orbitaux des satellites autour de la Terre.

Question (a) : Décrivez précisément le mouvement de la station spatiale internationale, ISS, autour de la Terre.

Réponse (a) : En simplifiant, on peut dire qu’il s’agit d’un mouvement circulaire uniforme, c’est-à-dire que la trajectoire de l’ISS est un cercle centré sur la Terre et que la station spatiale garde toujours la même vitesse sur son orbite par rapport à la Terre.

Question (b) : Montrez que les deux indications données dans le Portfolio au sujet de la vitesse de l’ISS ne sont pas contradictoires : « elle tourne autour de la Terre à une vitesse de 28 000 km/h » et « la station tourne autour de la Terre à une vitesse d’environ 8 km/s ».

Réponse (b) : 28 000 km/h est bien équivalent à 28 000/3 600 = 7,777 km/s soit environ 8 km/s (puisqu’il y a 3 600 secondes dans une heure).

Question (c) : Déterminez la période* de rotation notée T de l’ISS autour de la Terre à partir de la vitesse v de 28 000 km/h et de l’altitude h de 400 km. Données : rayon de la Terre : RT = 6 400 km.

*durée minimale au bout de laquelle un objet retrouve une position identique.

Réponse (c) : v = d/T où d est la distance parcourue pendant la rotation. d = 2πR puisqu’il s’agit de la circonférence de l’orbite circulaire de l’ISS. Attention le rayon de l’orbite vaut R = R + h = 6 800 km donc d = 2π.6 800 = 42 725 km. La période vaut T = d/v = 42 725/28 000 ≈ 1,52 h soit 1 h 30 environ.

En savoir plus

Voir aussi la séquence Les panneaux solaires

Le document pdf de cette séquence pédagogique :

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Les objets dans l’espace