Section 1 OCOM M140.01 – LANCER UNE FUSÉE À EAU
Les ressources nécessaires à l'enseignement de cette leçon sont énumérées dans la description de leçon qui se trouve dans la publication A-CR-CCP-801/PG-002, Niveau de qualification un norme de qualification et plan, chapitre 4. Les utilisations particulières de ces ressources sont indiquées tout au long du guide pédagogique, notamment au PE pour lequel elles sont requises.
Réviser le contenu de la leçon pour se familiariser avec la matière avant d'enseigner la leçon.
Photocopier l'annexe A. Préparer le système de lancement pour la fusée à eau. Voir les instructions à l'annexe A, au besoin.
Préparer le site de lancement de la fusée à eau. Voir les instructions à l'annexe B.
Pratiquer l'assemblage du système de lancement pour la fusée à eau et lancer des fusées à eau avant la présente leçon.
Les ordonnances de sécurité relatives à la fusée à eau se trouvent à l'annexe C.
Aucune.
L’exposé interactif a été choisi pour le PE 1 afin d’initier les cadets aux lois de Newton sur le mouvement.
Une activité en classe a été choisie pour le PE 2 parce que qu'il s'agit d'une façon amusante de faire participer les cadets au lancement d'une fusée à eau dans un environnement sécuritaire et contrôlé.
Aucune.
À la fin de la présente leçon, le cadet doit avoir lancé une fusée à eau.
La présente leçon démontrera aux cadets les lois de Newton sur le mouvement. Ils les mettront en pratique en lançant une fusée à eau.
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Point d’enseignement 1
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Expliquer les trois lois de Newton sur le mouvement et en
discuter.
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Durée : 15 min
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Méthode : Exposé interactif
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Les lois de Newton sur le mouvement
Les trois lois du mouvement ont d'abord été compilées par Sir Isaac Newton dans son ouvrage Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica, initialement publié le 5 juillet 1687. Newton les a utilisées pour expliquer le mouvement de plusieurs objets physiques et systèmes, et pour étudier celui-ci.
Ces lois sont trois « principes » physiques à la base de la mécanique classique. Elles décrivent la relation entre les forces qui agissent sur un corps et le mouvement de ce corps en raison de ces forces. Une force peut être définie comme une attraction ou une répulsion sur un objet.
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Démontrer le concept de la force en poussant un objet et en le tirant (livre, stylo, etc.) de façon rectiligne, sur une surface plane. |
La première loi sur le mouvement, ou principe de l'inertie.
La première loi de Newton énonce que tout corps persévère dans l'état de repos ou de mouvement uniforme en ligne droite dans lequel il se trouve, à moins que quelque force n'agisse sur lui, et ne le contraigne à changer d'état. Il s'agit également de la définition de l'inertie.
L'inertie est la résistance de tout objet physique à une variation de son état de repos ou de mouvement, ou la résistance d'un objet à une variation de vitesse.
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Pointer vers un objet immobile, mais qui pourrait bouger. L'objet respecte la première loi de Newton. |
Si aucune force n'est appliquée sur l'objet, la vitesse de ce dernier est alors constante. Si cette vitesse est de zéro, l'objet est donc au repos. Si une force externe est appliquée, la vitesse change en raison de cette force externe.
Une vitesse constante ne peut exister que dans le vide comme l'espace. Sur terre, l'air ou la gravité créent une résistance ou de la friction, ce qui ralentit l'objet.
Cette première loi donne un cadre de référence pour les autres lois sur le mouvement en établissant qu'il est possible de modifier l'état d'un objet au repos ou en mouvement en y appliquant des forces externes ou internes.
Voici des exemples de cette loi :
Un stylo, placé sur un bureau (surface plane), ne bougera pas parce que la friction et la gravité agissent sur le stylo.
Un satellite dans l'espace extra-atmosphérique continue sa trajectoire à moins que la gravité d'un objet qu'il passe ne modifie sa trajectoire.
La fusée à eau, sur la tour de lancement, ne bougera pas (autre que la légère oscillation en raison de la résistance de l'air du vent) car la gravité la garde sur la tour de lancement jusqu'à ce que la fusée soit sous pression et lancée.
La deuxième loi de Newton sur le mouvement
La deuxième loi de Newton explique comment un objet change de vitesse si l'on y applique des forces externes.
1.La loi énonce que si une force est appliquée à un objet, celui-ci accélère (ou sa vitesse change), et le changement de vitesse se fait dans le sens de la force appliquée.
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Un objet accélère dans le sens de la force appliquée. |
2.L'accélération est proportionnelle à la force appliquée. Si l'on pousse un objet, on le fait accélérer. Si l'on pousse l'objet trois fois plus fort, on le fait accélérer trois fois plus vite.
3.L'accélération est inversement proportionnelle à la masse de l'objet. Si deux objets sont poussés de façon identique et que l'un des deux objets a une masse cinq fois plus grande que le second objet, son accélération sera de cinq fois moins rapide que le premier.
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Si la masse d'un objet augmente, son accélération sera proportionnellement réduite. |
Voici certaines forces pouvant changer l'état d'un objet :
la gravité;
la résistance de l'air;
la friction;
la force externe ou interne.
Voici la formule qui explique cette loi :
F=ma
F désigne la force, en newton-mètres, et m est égal à la masse de l'objet.
A correspond à l'accélération de l'objet.
Pendant le lancement, les fusées brûlent une certaine partie de leur propulseur; elles deviennent alors plus légères, ce qui change leur masse. A mesure que la masse d'une fusée change ou diminue, et que le moteur de la fusée continue de produire la même poussée, la fusée accélère.
La troisième loi de Newton sur le mouvement
La troisième loi de Newton stipule que dans la nature, il existe une réaction équivalente et opposée pour toute action ou force. Cette force est proportionnelle à la masse des objets concernés.
Lorsque l'on appuie sur la détente d'une arme à feu, la poudre noire explose, ce qui propulse le projectile ou la balle à l'extérieur du canon. La force appliquée sur le projectile est la même que la force appliquée sur l'arme à feu. La masse de l'arme à feu est moindre que celle du projectile, ce qui résulte en une force moindre appliquée sur le tireur.
Un moteur de fusée élimine les gaz ou le propulseur par sa buse, propulsant la fusée dans la direction opposée.
Quelle est la première loi de Newton sur le mouvement?
Quelle est la deuxième loi de Newton sur le mouvement?
Quelle est la troisième loi de Newton sur le mouvement?
La première loi de Newton énonce que tout corps persévère dans l'état de repos ou de mouvement uniforme en ligne droite dans lequel il se trouve, à moins que quelque force n'agisse sur lui, et ne le contraigne à changer d'état.
La deuxième loi de Newton explique comment un objet change de vitesse si l'on pousse ou l'on tire sur celui-ci.
La troisième loi de Newton stipule que dans la nature, il existe une réaction équivalente et opposée pour toute action ou force.
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Point d’enseignement 2
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Demander aux cadets de lancer une fusée à eau.
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Durée : 65 min
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Méthode : Activité en classe
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L’objectif de cette activité est de démontrer les lois de Newton sur le mouvement de façon dynamique et intéressante.
une aire extérieure de 10 m par 20 m,
un système de lancement de fusée à eau,
une pompe permettant de fournir de l'air comprimé pour lancer la fusée (une pompe à vélo est préférable),
une bouteille de boisson gazeuse de deux litres en bonne condition (aucune égratignure profonde ou défectuosité apparente). N'utiliser que les bouteilles pour boisson gazeuse. Les bouteilles d'eau ne sont pas assez résistantes pour être utilisées avec un système pressurisé,
des lunettes de sécurité (une paire par cadet instructeur),
de l'eau pour lancer la fusée à plusieurs reprises.
Monter le site de lancement à l'aide des instructions à l'annexe B.
Donner un briefing aux cadets conformément à l'annexe B : Montage du site de lancement.
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Utiliser la même pression pour les deux lancements, soit de 50 à 60 lb/po2. Pour le premier lancement, installer la bouteille de boisson gazeuse vide sur le système de lancement pour démontrer la poussée tout en utilisant l'air comme masse de propulsion. |
1.Installer la bouteille de boisson gazeuse de deux litres vide sur la tour de lancement de la fusée à eau.
2.Expliquer aux cadets que l'on démontre la première loi de Newton sur le mouvement avec la bouteille, car celle-ci est au repos et que la seule force appliquée à ce moment est la gravité.
3.Appliquer une pression de 50 à 60 lb/po2 sur la tour de lancement.
4.Demander aux cadets de compter à rebours à partir de cinq et de lancer la bouteille de boisson gazeuse.
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La force de l'air qui s'échappe de la bouteille de boisson gazeuse la propulse dans les airs. Cela démontre la deuxième loi de Newton sur le mouvement. La première loi de Newton sur le mouvement est démontrée lorsque la fusée est au repos, sur la tour. La deuxième loi, elle, est montrée au décollage de la fusée. La force de l'air qui s'échappe se fait de façon rectiligne par rapport à la tour de lancement. La troisième loi de Newton sur le mouvement se démontre par la réaction de l'air poussée à l'extérieur de la bouteille à mesure que celle-ci s'éloigne de la tour de lancement. |
5.Retrouver la bouteille de boisson gazeuse et la remplir au tiers avec de l'eau.
6.Installer à nouveau la bouteille de boisson gazeuse de deux litres sur la tour de lancement.
7.Appliquer la même pression sur la tour de lancement, tout comme il a été fait pour le lancement de la bouteille vide.
8.Demander aux cadets de compter à rebours à partir de cinq et de lancer la fusée à eau.
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Pour le second lancement, installer la bouteille de boisson gazeuse sur le système de lancement après en avoir rempli le tiers d'eau, pour démontrer la poussée lorsque l'eau fait partie du propulseur. La masse de la bouteille contenant de l'eau ralentit la fusée à son lancement, mais la masse de l'eau qui est évacuée de la bouteille pousse la fusée beaucoup plus haute. À mesure que la bouteille monte, elle accélère jusqu'à ce que le propulseur et la pression diminuent. Même après que toute l'eau ait été évacuée de la bouteille, la pression de l'air dans la bouteille continue de pousser la fusée jusqu'à ce qu'il n'y ait plus d'air. |
9.Demander aux cadets de discuter des différences entre les deux lancements.
Les ordonnances de sécurité relatives à la fusée à eau se trouvent à l'annexe C.
La participation des cadets à l’activité servira de confirmation de l’apprentissage de cette leçon.
Aucun.
Aucun.
Les lois de Newton sur le mouvement s'appliquent à tout ce qui nous entoure. En fuséologie, ces lois gouvernent la totalité du profil de vol d'une fusée avant, pendant et après le lancement de celle-ci.
Les cadets qui se sont qualifiés au cours d'aérospatiale avancée peuvent agir à titre d'instructeur adjoint.
Les fusées à eau peuvent être lancées à l'intérieur si l'aire est facile à nettoyer (p. ex., plancher de gymnase) ou à l'extérieur, si les conditions météorologiques sont favorables.
C3-266 Science Toy Maker. (2008). Making (and using) an overhead water rocket launcher. Extrait le 1er octobre 2008 du site http://www.sciencetoymaker.org/waterRocket/buildWaterRocketLauncher.htm
C3-291 Retter, Y. (2008). Water Rocket – Skewer Design. Extrait le 21 novembre 2008 du site http://www.geocities.com/yoramretter/SkewerDesign-v02.html
C3-351 National Aeronautics and Space Administration. (2008). Adventures in Rocket Science. Extrait le 27 octobre 2011 du site http://www.nasa.gov/pdf/265386main_Adventures_In_Rocket_Science.pdf
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