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Ballon-sonde
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ACTIVITÉ D'EXPLORATION


1
Ballon‑sonde





Les ballons-sondes sont utilisés pour étudier l’atmosphère de la Terre et des autres planètes du système solaire. La mission du Centre national d’études spatiales (CNES) « Un ballon pour l’école » propose de réaliser un ballon‑sonde dans les établissements scolaires.

➜ Prévoir la masse d’hélium nécessaire pour faire décoller un ballon‑sonde.


Objectif

  • Savoir utiliser la poussée d’Archimède.


Doc. 1
Ballon pour l’école

Depuis 1992, le CNES propose à des établissements de participer au lancement d’un ballon‑sonde vers la haute atmosphère avec l’opération « Un ballon pour l’école ».
Le but est de lancer un aérostat comprenant un ballon de masse 2,12{,}1 kg et une nacelle expérimentale de 0,830{,}83 kg jusqu’à la stratosphère, à 3030 km d’altitude.
Le ballon éclate lorsque son diamètre excède d=15d = 15 m.

Ballon pour l’école

Doc. 2
Ballon de latex fermé

La masse volumique ρ\rho de l’atmosphère varie avec l’altitude hh selon la formule :
ρ=ρ0exp(hh0)\rho=\rho_{0} \cdot \exp \left(-\dfrac{h}{h_{0}}\right)

ρ\rho : masse volumique de l’air (kg·m-3)
ρ0\rho_{0} : masse volumique de l’air au sol égale à ρ0=1,27\rho_{0} = 1{,}27 kg·m-3
hh : altitude (m)
h0{h_{0}} : constante égale à h0=8×103{h_{0}} = 8 \times 10^3 m

La pression de l’air pp varie de la même manière selon :
p=p0exp(hh0)p=p_{0} · \exp \left(-\dfrac{h}{h_{0}}\right)
pp : pression (Pa)
p0p_{0} : pression atmosphérique au sol égale à p0=1 013p_{0} = 1~013 hPa

Doc. 3
Poussée d’Archimède

Un objet de volume VV totalement immergé dans un fluide au repos subit des forces de pression de résultante :
Π=ρfluide Vg\overrightarrow{\varPi}=-\rho_{\text {fluide }} · V · \overrightarrow{g}
Π\overrightarrow{\varPi} : poussée d’Archimède de norme Π\varPi (N)
ρfluide \rho_{\text {fluide }} : masse volumique du fluide (kg·m-3)
VV : volume du corps immergé (m3)
g\overrightarrow{g} : champ de pesanteur de norme gg (N·kg-1)

Supplément numérique

Lancez vous aussi votre ballon-sonde ! Retrouvez toutes les informations ici.

Compétences

VAL : Évaluer et connaître des ordres de grandeur

RAI/ANA : Construire un raisonnement

RAI/ANA : Élaborer un protocole

Questions

1. Exprimer la poussée d’Archimède sur le ballon, au sol, en fonction de son diamètre.


2. Le diamètre initial est choisi pour que la norme de la poussée d’Archimède soit égale au double de celle du poids de l’aérostat. Calculer le diamètre did_\text{i} initial du ballon.


3. Le ballon est rempli avec de l’hélium, à la pression p0p_{0}. En utilisant la loi de Mariotte, exprimer le diamètre dd du ballon en fonction de l’altitude.


4. Calculer l’altitude h1h_{1} à laquelle le ballon éclate.


5. Calculer la poussée d’Archimède à l’altitude h1h_{1}.
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Synthèse de l'activité

Lister les paramètres clés à prendre en compte pour un lancer de ballon expérimental.
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