J'ai une petite uestion tirée du livre "Physique" de E. Hecht :
lorsqu'un ballon d'hélium s'élève dans l'atmosphère, il gagne de l'énergie cinétique et de l'énergie potentielle gravitationnelle. Quelle est l'origine de cette énergie ? A votre avis ?
Bonjour.Envoyé par heathcliff
A mon avis il y en a deux principales.
Ca c'est de la réponse lol...
Pour répondre à la question, je propose de prendre le problème à l'envers : quelles sont les forces qui s'appliquent sur le ballon ? Réponse : la force de gravitation et la poussée d'Archimède.
En faisant beaucoup d'approximations on peut dire que la force de gravitation est constante et dirigée de haut en bas et que la poussée d'Archimède est constante et dirigée de bas en haut.
En faisant le bilan des forces on en conclu que globalement le ballon est soumis à une force constante dirigée de bas en haut (le ballon monte). Et le travail de cette force est moteur : le ballon gagne de l'énergie (cinétique et potentielle gravitationnelle).
L'origine profonde de cette énergie provient de l'énergie dépensée pour "rassembler" tout l'hélium du ballon au ras du sol (extraire l'He de l'air, le compresser etc.) lorsque tu gonfles ton ballon au début de l'expérience.
Du moins c'est mon interprétation...
La question est : dans la mesure où on a affaire un système fermée (Terre, ballon, atmosphère), quelle partie du sytème perd de l'énergie dans la mesure où le ballon en gagne ? Selon moi, lorsque le ballon s'éleve dans l'atmosphère et que la pression atmosphèrique diminue, le ballon doit se dilater et la pression à l'intérieur du ballon doit diminuer. D'où une perte d'énergie potentielle "de pression" car les atomes du gaz sont plus espacés. Qu'en dites-vous ?
je pense que c'est une des deux origines supposées par Eurole.Selon moi, lorsque le ballon s'éleve dans l'atmosphère et que la pression atmosphèrique diminue, le ballon doit se dilater et la pression à l'intérieur du ballon doit diminuer. D'où une perte d'énergie potentielle "de pression" car les atomes du gaz sont plus espacés. Qu'en dites-vous ?
L'autre est l'atmosphère... Lorsque le ballon monte, il y a un déplacement équivalent d'air vers le bas: le ballon gagne de l'énergie potentielle, pendant que l'air qui était au dessus de lui en perd en passant en dessous.
La réponse de musgrave concernant la poussée d'Archimède aurait surement dû te mettre la puce à l'oreille.
m@ch3
Never feed the troll after midnight!
Merci Mach3 pour cette pertinente réponse.
Je ne suis pas d'accord avec cette interprétation, le déplacement d'air est quand même négligeable devant celui d'un ballon qui peut peser plusieurs kg... Je vais donc développer un peu plus mon argumentation :
Disons qu'en supposant la force de la poussée d'Archimède constante on peut dire que cette force dérive d'un potentiel (et même sans approximations, ça marche encore puisque l'existence d'une poussée d'Archimède ne nécessite que l'existence d'un objet soumis à une force de gravitation et d'un fluide à l'équilibre). C'est cette énergie potentielle "d'Archimède" qui diminue et qui compense l'énergie potentielle de gravitation et l'énergie cinétique gagnés par le ballon quand il monte.
On peut sentir la réalité de cette énergie potentielle en considérant qu'il faut fournir de l'énergie (tirer sur une corde qui pend du ballon par exemple) pour le ramener au sol...
Sauf si la densité de l'air est proche ou supérieure à celle du ballon
La quantité d'air qui se déplace est déterminée par le volume, pas par la masse du ballon.
J'admet mon erreur, contrairement à ce que je pensais a priori, l'énergie perdue par l'air est loin d'être négligeable, quoique je ne sois toujours pas convaincu par ce raisonnement.
Mais bon, comme je suis bon perdant je vous présente mes calculs de coin de table qui montrent que mach3 et Michel avaient raison...
Prenons un ballon sonde rempli d'Helium qui transporte 10 kg de matériel (scientifique bien sûr). Le volume de ce ballon doit dépasser les 10 m3 pour pouvoir flotter (je vous laisse faire le calcul), admettons que le ballon fasse 12 m3.
A chaque fois que le ballon monte de 1m, 12 m3 d'air (soit 14 kg) descendent d'un mètre donc l'air perd 140 J d'énergie potentielle tandis que le ballon gagne 122 J d'énergie potentielle et 20 J d'énergie cinétique.
Bon, aux erreurs d'arrondis près on retombe sur nos pattes
Correct, sauf les 20 J d'énergie cinétique.
Vu la forme très aérodynamique du ballon (), sa vitesse ascensionnelle est vite constante (ainsi que celle du flux d'air descendant), et la différence d'énergie, les 18 J, passent en chaleur sauf au tout début où une partie (une partie seulement) passe en énergie cinétique.
J'ai considéré que le calcul était mené au tout début de l'expérience (t=0+), la portion d'énergie perdue par les frottements est alors négligeable, la vitesse du ballon étant pratiquement nulle. De plus, en supposant que le lancement à lieu au niveau de la mer ça permet d'utiliser la valeur de 1,2 kg/m3 pour la masse volumique de l'air :-p.
