Montgolfières : inventées à la veille de la Révolution française, ces ballons à air chaud, imaginés et réalisés par les frères Montgolfier en 1783, furent les premiers aérostats. Gonflées aujourd’hui par des brûleurs à gaz, les montgolfières sont utilisées à des fins sportives et touristiques.

Joseph de Montgolfier (1740-1810)

Curieux et inventif dans sa jeunesse, il est loin d’être un bon élève et n’est pas très discipliné.Pourtant, il s’intéresse de très près aux sciences physiques et naturelles. Ne souhaitant pas reprendre la papeterie familiale, il monte son propre laboratoire de chimie. Il reviendra très vite à la papeterie : une tradition dans la famille.

Etienne de Montgolfier (1745-1799)

Il est assez différent de Joseph. Méthodique, calme, infatigable, il mène à bien ses études de sciences et d’architecture.Il réalisera des bâtiments pour la célèbre papeterie de Jean-Baptiste Reveillon, mais sera rapidement rappeler par son père au décès d’un de ses frères pour reprendre le flambeau familial.

Le brûleur placé au-dessus de la nacelle , à l’embouchure de l’enveloppe, réchauffe l’air qui se trouve à l’intérieur, ce qui permet l’ascension de la montgolfière. Le brûleur fonctionne avec des bonbonnes de propane sous pression.

La nacelle est faite en osier tressé à la main. L’osier procure à la nacelle, légèreté, rigidité et souplesse, ce qui permet d’amortir les chocs à l’atterrissage. Une nacelle moyenne peut accueillir quatre personnes : un pilote, et trois passagers. Elle peut être ouverte ou pressurisée (plus le ballon monte plus l'air est froid. Les aérostiers doivent être à l'abri). Elle contient aussi tous les instruments nécessaires à la navigation : un altimètre pour la mesure de l’altitude, un variomètre qui indique la vitesse d’ascension et un pyromètre pour mesurer la température à l’intérieur de l’enveloppe.

Le parachute : Le sommet de l'enveloppe, qui est ouvert, est obturé de l'intérieur par un panneau circulaire amovible, appelé "parachute". Ce dernier, sous la poussée de l'air chaud, se plaque sur la bordure du sommet de l'enveloppe, assurant ainsi son étanchéité. Il peut aussi faire office de soupape.

De quoi est composée une montgolfière ?

L’enveloppe est faite de nylon traité(enduit de polyuréthane), un matériau léger mais très résistant. Elle a pour rôle d'emprisonner l'air réchauffé par le brûleur (environ 2550 mètres cubes d’air).

Nacelle

Brûleur

RalinguesJupe

Cercle de charge

Enveloppe

Panneau-parachute servant à la fois de

soupape et de panneau de

déchirure

La première opération avant le vol est le gonflement de la montgolfière. On commence d'abord par étendre l'enveloppe sur le sol, puis on attache celle-ci à la nacelle que l'on a déposée sur le côté. Un petit ventilateur permet de souffler de l'air froid dans le ballon. Lorsque l'enveloppe est gonflée aux deux tiers on allume ensuite le brûleur pour chauffer l'air qui se trouve dans le ballon. L'air chaud s'élève et amène ainsi le ballon à la verticale. Une fois rempli d’air chaud (plus léger que l’air ambiant) le ballon peut voler dans l’atmosphère au grès du vent.

Pourquoi les ballons s’envolent-ils ?

L’air est constitué de molécules.

Pour faire voler une montgolfière, il suffit donc d’activer les molécules de l’air en les chauffant à l’aide du brûleur. Au contraire, pour la faire atterrir, on laisse refroidir l’air. Le refroidissement peut être accéléré en ouvrant le parachute (qui sert de soupape) ce qui fait sortir l’air chaud ; de l’air froid rentre. La masse d’air devient donc plus lourde et la montgolfière descend.

Mais comment l’air, qui ne pèse que 1,3 g pour 1 L peut-il soulever une montgolfière ?

Envol de montgolfières

Molécule de diazote

Molécule de dioxygène

Quand il fait froid, les molécules se rapprochent.

Quand il fait chaud, elles s’agitent et s’éloignent les unes des autres.

Pour un même volume (celui de l’enveloppe), le nombre de molécules d’air chaud est inférieur au nombre de molécules d’air froid donc l’air chaud est moins dense que l’air froid.

Commençons par étudier une balle de ping-pong.

* Comme dans la vie courante, et par souci de simplicité, on exprimera les poids en unités de masse (kg et g), alors qu’en toute rigueur l’unité légale est le newton.

La balle est soumise à deux forces opposées :

son poids* : c’est la force exercée par la Terre sur la balle (mis en évidence par Isaac Newton)

dirigé vers le bas

estimé à 2 g

la poussée de l’eau : force exercée par l’eau sur la balle (mise en évidence par Archimède)

dirigée vers le haut

égale au poids d’une balle qui serait remplie d’eau (soit environ 20 g , puisque 1 cm3 d’eau pèse 1 g)

Par conséquent, la poussée de l’eau, appelée poussée d’Archimède, 10 fois plus forte que le poids de la balle, la fait remonter en surface. Parvenue en surface, elle ne poursuit pas son ascension dans l’air car la poussée d’Archimède est différente, elle a changé de valeur.

Matériel : un aquarium rempli d’eau et une balle de ping-pong.

Plongez la balle de ping-pong dans l’eau.

Dès que vos doigts la libèrent, elle remonte rapidement et s’immobilise à la surface.

Dans l’air, la balle de ping-pong est encore soumise à deux forces opposées :

- son poids, inchangé;

-la poussée de l’air, environ soixante-dix fois plus faible.

Elle ne peut donc que descendre, mais l’eau l’empêche d’aller plus bas que la surface.

Mais tout ceci n’a donc rien à voir avec notre montgolfière?

Bien au contraire.

Le point commun …

Remarque : la poussée d’Archimède n ’existe pas dans le vide: on ne verra jamais un ballon survoler le sol lunaire.

**En revanche, dans l’eau, la poussée d’Archimède devient pratiquement égale au poids du corps. C’est pour cela que l’on peut « faire la planche » et nager.

Plus léger que l’air !La poussée d’Archimède se manifeste spontanément dans tous les fluides (liquides ou gaz), mais ses effets ne sont pas toujours aussi spectaculaires que sur la balle de ping-pong.

Elle s’exerce sur chacun de nous, comme sur une adolescente qui attend l’autobus ! Supposons son poids égal à 50 kg. Son corps « déplace donc un volume d’air d’environ 50 L et, par conséquent, subit une poussée « archimédienne » de 65 g ! C’est dérisoire**. Heureusement, car sinon la demoiselle pourrait s’envoler !

Alors, comment peut-on la soulever de terre?

Solution : l’accrocher à un gros ballon rempli d’air.

« Tous les corps tombent » dit-on. Tous, vraiment ? Alors, pourquoi la fumée monte-t-elle ? Et les montgolfières ?

Comment expliquer que 1 kg de plomb tombe et finissent au fond d’une piscine, que 1 kg de bois tombe aussi mais flotte et que 1 kg d’air, contenu dans une enveloppe, s’envole spontanément ? Tous ces objets sont pourtant pesants, puisque les masses négatives n’existent pas. La gravitation aurait-elle des exceptions ?

Non, mais on oublie que ces objets sont toujours soumis à deux forces qui s’opposent: leur poids et la poussée d’Archimède. Selon la résultante de ces deux forces (poids apparent*) les objets iront vers le haut ou vers le bas.

La gravitation en défaut ?

*Poids apparent = Poids (réel) - Poussée d’Archimède

D’après Archimède :

-Un objet petit et lourd coulera dans l’eau. (ex: poids)

-Un objet gros et léger flottera dans l’eau. (ex: bateau)

-Un objet de même masse volumique que l'eau de mer restera entre deux eaux. (ex: humain)

-Un objet plus léger que l'air "flottera" dans l'air. (ex: montgolfière)

La force d'Archimède dirigé  vers le haut dépend du volume déplacé.

La force de gravité (poids) dépend de la masse de l'objet.

Archimède (287-212 avant J.-C.) :

Mathématicien, ingénieur et physicien grec, né à Syracuse en 287 avant Jésus-Christ. Auteur de travaux importants et novateurs dans de nombreux domaines, il est considéré comme un des plus grands scientifiques de l'histoire . Il fut le premier à calculer la valeur de π en mathématiques, à utiliser des leviers et des vis sans fin en mécanique, mais ce qui le rendit célèbre fut la découverte du principe qui porte son nom. Il fut tué lors de la prise de Syracuse par les Romains alors qu’il tentait de résoudre un problème de géométrie.

Pour la petite histoire :Archimède a découvert la « poussée d’Archimède » un jour où il prit un bain. Il remarqua la grande facilité avec laquelle il pouvait soulever son bras dans l’eau. Il pensa alors qu’il existait une relation entre la poussée et le volume de liquide déplacé. Enthousiasmé par cette découverte, Archimède se précipita dans la rue en criant : « Euréka ! Euréka ! » (j’ai trouvé)

Euréka !!!

Principe d'Archimède :

Tout corps plongé dans un liquide subit de la part de celui-ci , une poussée exercée du bas vers le haut , et égale , en intensité , au poids du liquide déplacé.

Le rêve d’Icare

19 septembre 1783

Deuxième essai à Paris devant le roi Louis XVI. Le ballon des frères Montgolfier a trois passagers à son bord : un coq, un canard et un mouton. La présence

de ces animaux prouve l’innocuité du vol.

4 juin 1783

La première montgolfière de l’histoire prend son envol.

21 novembre 1783

Jean-François Pilâtre de Rozier et François Laurent, marquis d’Arlandes, deviennent les premiers humains à réaliser le rêve d’Icare.La première

montgolfière de l’histoire prend son envol.

Depuis la nuit des temps, l’homme a souhaité se déplacer dans les airs à l’image des oiseaux..

Une vieille histoire raconte que lors des premiers vols, les paysans étaient effrayés par les ballons qui se posaient dans leurs champs ! Certains se munissaient même de fourches pour percer les enveloppes. Un jour, un noble qui passait en carrosse calma les paysans à l’atterrissage en leur offrant une coupe de champagne. Depuis, il serait de coutume d’offrir une verre de mousseux au propriétaire…

Histoire ou légende?

Le ballon est le plus agréable moyen de se promener. Glisser dans l'air en silence, plonger dans les branches

d'un arbre et repartir en balançoire, confier sa trajectoire au vent et découvrir des paysages de très

haut ou de très près, sans moteur, sans secousse, c'est un plaisir que seul le ballon libre peut offrir...

Depuis quelques années, la montgolfière « sportive » connaît un regain d’intérêt. Des

brûleurs au propane qui réchauffent l’air permettent alors des vols de deux à trois

heures jusqu’à 1 000 ou 2 000 mètres d’altitude.

Certaines montgolfières publicitaires représentent des objets, au lieu d'avoir la forme d'un ballon. Elles n'ont souvent pas le droit de

transporter de passagers, car elles sont trop instables, elles restent donc en vol captif.

Recherche et diaporama réalisés par :Alexandre

THIMONIER