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Théorie de ballon

Un ballon gonflé d'air chaud peut décoller mais comment est-ce que cela marche exactement ?




Le poids de l'air

L'air est composé d'une quantité de gaz dont le poids dépend de la température et de la pression atmosphérique. Par conséquent, le poids est toujours déterminé à partir d'une température de référence (atmosphère à 0,1°C).

L'air est composé d'environ 80 % d'azote et d'environ 20 % d'oxygène. Dans une atmosphère à 0,1°C, un litre d'air pèse environ 1,3 grammes tandis qu'un litre d'eau pèse un kilo (1 000 grammes).

Imaginez que vous avez un énorme ballon de baudruche, en forme de cube, avec exactement 1 mètre cube. À l'intérieur du ballon, il y a exactement 1 000 litres d'air à une température identique à celle de l'air à l'extérieur du ballon. Le poids de ces 1 000 litres d'air à l'intérieur du ballon est de 1 300 grammes.
L'air est composé d'une quantité de gaz dont le poids dépend de la température et de la pression atmosphérique. Par conséquent, le poids est toujours déterminé à partir d'une température de référence (atmosphère à 0,1°C).

L'air est composé d'environ 80 % d'azote et d'environ 20 % d'oxygène. Dans une atmosphère à 0,1°C, un litre d'air pèse environ 1,3 grammes tandis qu'un litre d'eau pèse un kilo (1 000 grammes).

Imaginez que vous avez un énorme ballon de baudruche, en forme de cube, avec exactement 1 mètre cube. À l'intérieur du ballon, il y a exactement 1 000 litres d'air à une température identique à celle de l'air à l'extérieur du ballon. Le poids de ces 1 000 litres d'air à l'intérieur du ballon est de 1 300 grammes.
L'air est composé d'une quantité de gaz dont le poids dépend de la température et de la pression atmosphérique. Par conséquent, le poids est toujours déterminé à partir d'une température de référence (atmosphère à 0,1°C).

L'air est composé d'environ 80 % d'azote et d'environ 20 % d'oxygène. Dans une atmosphère à 0,1°C, un litre d'air pèse environ 1,3 grammes tandis qu'un litre d'eau pèse un kilo (1 000 grammes).

Imaginez que vous avez un énorme ballon de baudruche, en forme de cube, avec exactement 1 mètre cube. À l'intérieur du ballon, il y a exactement 1 000 litres d'air à une température identique à celle de l'air à l'extérieur du ballon. Le poids de ces 1 000 litres d'air à l'intérieur du ballon est de 1 300 grammes.

L'air chaud se dilate

Les gaz présents dans l'air (azote et oxygène) sont composés de molécules.

Ces molécules sont en mouvement constant et la vitesse à laquelle elles se déplacent dépend de la température de la quantité de gaz, parmi d'autres facteurs.

Lorsque la température augmente, les molécules se déplacent plus rapidement et elles se heurtent alors les unes les autres et tous les objets se trouvant à proximité.

Une molécule qui heurte un objet à basse vitesse exerce une faible force sur cet objet, mais lorsqu'une molécule heurte ce même objet à une vitesse supérieure, elle va également exercer une plus grande force sur ce même objet.

À l'intérieur du ballon, il y a des molécules constamment en mouvement contre les parois de ce dernier. Plus les molécules se déplacent vite, plus la force à laquelle elles heurtent les parois du ballon est grande et, par conséquent, plus la force qu'elles exercent sur ces parois est grande. Étant donné que les parois du ballon sont élastiques, celui-ci se dilate sous l'effet de l'augmentation de la force de l'air.

Essayez par vous-même :
Remplissez d'air un ballon de baudruche et nouez-le fermement.
Utilisez un mètre ruban pour mesurer le périmètre du ballon et notez la valeur.
Vous pouvez également dessiner, avec un crayon, une ligne autour du ballon afin de pouvoir mesurer à nouveau au même endroit.

Placez ensuite le ballon au soleil. Sous l'effet de la lumière du soleil, l'air va devenir plus chaud et le ballon va se dilater.
Au bout d'un certain temps, en mesurant à nouveau le ballon, vous allez vous apercevoir que le ballon est plus grand que lorsqu'il était froid. Vous pouvez remarquer ce phénomène en observant le ballon pendant qu'il chauffe.

Il se peut que le ballon éclate en se dilatant !
Les gaz présents dans l'air (azote et oxygène) sont composés de molécules.

Ces molécules sont en mouvement constant et la vitesse à laquelle elles se déplacent dépend de la température de la quantité de gaz, parmi d'autres facteurs.

Lorsque la température augmente, les molécules se déplacent plus rapidement et elles se heurtent alors les unes les autres et tous les objets se trouvant à proximité.

Une molécule qui heurte un objet à basse vitesse exerce une faible force sur cet objet, mais lorsqu'une molécule heurte ce même objet à une vitesse supérieure, elle va également exercer une plus grande force sur ce même objet.

À l'intérieur du ballon, il y a des molécules constamment en mouvement contre les parois de ce dernier. Plus les molécules se déplacent vite, plus la force à laquelle elles heurtent les parois du ballon est grande et, par conséquent, plus la force qu'elles exercent sur ces parois est grande. Étant donné que les parois du ballon sont élastiques, celui-ci se dilate sous l'effet de l'augmentation de la force de l'air.

Essayez par vous-même :
Remplissez d'air un ballon de baudruche et nouez-le fermement.
Utilisez un mètre ruban pour mesurer le périmètre du ballon et notez la valeur.
Vous pouvez également dessiner, avec un crayon, une ligne autour du ballon afin de pouvoir mesurer à nouveau au même endroit.

Placez ensuite le ballon au soleil. Sous l'effet de la lumière du soleil, l'air va devenir plus chaud et le ballon va se dilater.
Au bout d'un certain temps, en mesurant à nouveau le ballon, vous allez vous apercevoir que le ballon est plus grand que lorsqu'il était froid. Vous pouvez remarquer ce phénomène en observant le ballon pendant qu'il chauffe.

Il se peut que le ballon éclate en se dilatant !
Les gaz présents dans l'air (azote et oxygène) sont composés de molécules.

Ces molécules sont en mouvement constant et la vitesse à laquelle elles se déplacent dépend de la température de la quantité de gaz, parmi d'autres facteurs.

Lorsque la température augmente, les molécules se déplacent plus rapidement et elles se heurtent alors les unes les autres et tous les objets se trouvant à proximité.

Une molécule qui heurte un objet à basse vitesse exerce une faible force sur cet objet, mais lorsqu'une molécule heurte ce même objet à une vitesse supérieure, elle va également exercer une plus grande force sur ce même objet.

À l'intérieur du ballon, il y a des molécules constamment en mouvement contre les parois de ce dernier. Plus les molécules se déplacent vite, plus la force à laquelle elles heurtent les parois du ballon est grande et, par conséquent, plus la force qu'elles exercent sur ces parois est grande. Étant donné que les parois du ballon sont élastiques, celui-ci se dilate sous l'effet de l'augmentation de la force de l'air.

Essayez par vous-même :
Remplissez d'air un ballon de baudruche et nouez-le fermement.
Utilisez un mètre ruban pour mesurer le périmètre du ballon et notez la valeur.
Vous pouvez également dessiner, avec un crayon, une ligne autour du ballon afin de pouvoir mesurer à nouveau au même endroit.

Placez ensuite le ballon au soleil. Sous l'effet de la lumière du soleil, l'air va devenir plus chaud et le ballon va se dilater.
Au bout d'un certain temps, en mesurant à nouveau le ballon, vous allez vous apercevoir que le ballon est plus grand que lorsqu'il était froid. Vous pouvez remarquer ce phénomène en observant le ballon pendant qu'il chauffe.

Il se peut que le ballon éclate en se dilatant !

~Moins d'air signifie moins de poids

Sous l'effet de l'échauffement de l'air à l'intérieur du ballon, celui-ci se dilate. Avant l'échauffement, le volume du ballon était de 1 000 litres mais, au terme de l'échauffement, cette valeur a augmenté de 10 %. Ainsi, la même quantité d'air a augmenté son volume pour atteindre 1 100 litres. Cependant, le poids de cette quantité d'air continue d'être de 1 300 grammes.

Vous pourrez également observer un autre phénomène.

Dans l'espace qui contenait précédemment 1 300 grammes d'air, il y a à présent moins de poids car la dilatation a augmenté le volume d'air de 10 %. Au lieu de 1 300 grammes pour 1 000 litres, nous avons à présent 1 300 grammes pour 1 100 litres. D'après le calcul basé sur 1 000 litres, nous constatons que le poids a diminué (1 000/1 100 =) 0,909 fois, c'est-à-dire qu'il est à présent de (1 300*0,909 =) 1 182 grammes (environ).
Ainsi, le poids a diminué d'environ 118 grammes !
Sous l'effet de l'échauffement de l'air à l'intérieur du ballon, celui-ci se dilate. Avant l'échauffement, le volume du ballon était de 1 000 litres mais, au terme de l'échauffement, cette valeur a augmenté de 10 %. Ainsi, la même quantité d'air a augmenté son volume pour atteindre 1 100 litres. Cependant, le poids de cette quantité d'air continue d'être de 1 300 grammes.

Vous pourrez également observer un autre phénomène.

Dans l'espace qui contenait précédemment 1 300 grammes d'air, il y a à présent moins de poids car la dilatation a augmenté le volume d'air de 10 %. Au lieu de 1 300 grammes pour 1 000 litres, nous avons à présent 1 300 grammes pour 1 100 litres. D'après le calcul basé sur 1 000 litres, nous constatons que le poids a diminué (1 000/1 100 =) 0,909 fois, c'est-à-dire qu'il est à présent de (1 300*0,909 =) 1 182 grammes (environ).
Ainsi, le poids a diminué d'environ 118 grammes !
Sous l'effet de l'échauffement de l'air à l'intérieur du ballon, celui-ci se dilate. Avant l'échauffement, le volume du ballon était de 1 000 litres mais, au terme de l'échauffement, cette valeur a augmenté de 10 %. Ainsi, la même quantité d'air a augmenté son volume pour atteindre 1 100 litres. Cependant, le poids de cette quantité d'air continue d'être de 1 300 grammes.

Vous pourrez également observer un autre phénomène.

Dans l'espace qui contenait précédemment 1 300 grammes d'air, il y a à présent moins de poids car la dilatation a augmenté le volume d'air de 10 %. Au lieu de 1 300 grammes pour 1 000 litres, nous avons à présent 1 300 grammes pour 1 100 litres. D'après le calcul basé sur 1 000 litres, nous constatons que le poids a diminué (1 000/1 100 =) 0,909 fois, c'est-à-dire qu'il est à présent de (1 300*0,909 =) 1 182 grammes (environ).
Ainsi, le poids a diminué d'environ 118 grammes !

Les objets lourds tombent mais les objets légers flottent

La force de la gravité attire tous les objets.

L'air à l'intérieur du ballon pèse 1 300 grammes et il est donc tiré vers le bas, vers le sol, sous l'effet de la gravité.  L'air autour du ballon subit également l'action de la gravité.

Comme expliqué ci-dessus, l'air chauffé à l'intérieur du ballon est plus léger que l'air froid qui l'entoure. Ainsi, l'air chauffé est poussé vers le haut par rapport à l'air froid.

Il suffit maintenant de comparer : si la force qui pousse vers le haut l'air chauffé est supérieure à la force de la gravité qui attire le ballon vers le bas, vous pourrez alors sentir l'assujettissement de la force de la gravité à la force de l'air chaud au fur et à mesure que celui-ci monte vers le ciel.
La force de la gravité attire tous les objets.

L'air à l'intérieur du ballon pèse 1 300 grammes et il est donc tiré vers le bas, vers le sol, sous l'effet de la gravité.  L'air autour du ballon subit également l'action de la gravité.

Comme expliqué ci-dessus, l'air chauffé à l'intérieur du ballon est plus léger que l'air froid qui l'entoure. Ainsi, l'air chauffé est poussé vers le haut par rapport à l'air froid.

Il suffit maintenant de comparer : si la force qui pousse vers le haut l'air chauffé est supérieure à la force de la gravité qui attire le ballon vers le bas, vous pourrez alors sentir l'assujettissement de la force de la gravité à la force de l'air chaud au fur et à mesure que celui-ci monte vers le ciel.
La force de la gravité attire tous les objets.

L'air à l'intérieur du ballon pèse 1 300 grammes et il est donc tiré vers le bas, vers le sol, sous l'effet de la gravité.  L'air autour du ballon subit également l'action de la gravité.

Comme expliqué ci-dessus, l'air chauffé à l'intérieur du ballon est plus léger que l'air froid qui l'entoure. Ainsi, l'air chauffé est poussé vers le haut par rapport à l'air froid.

Il suffit maintenant de comparer : si la force qui pousse vers le haut l'air chauffé est supérieure à la force de la gravité qui attire le ballon vers le bas, vous pourrez alors sentir l'assujettissement de la force de la gravité à la force de l'air chaud au fur et à mesure que celui-ci monte vers le ciel.

D'où vient la force de poussée ?

Qu'est-ce qui fait que le ballon monte alors qu'il est plus léger que l'air qui l'entoure ?

L'explication réside dans le principe d'Archimède. Archimède était un sage du début de notre ère qui a découvert le principe à l'origine de ces phénomènes. La force de poussée de chaque objet est égale au poids de la matière (dans ce cas, l'air) qui va être remplacée par ce même objet. En d'autres termes, l'air qui se trouvait à la place du ballon pesait 1 300 grammes. Le ballon à air chauffé a remplacé cet air. Ainsi, il y a une force de poussée de 1 300 grammes à la suite du remplacement de l'air froid par le ballon à air chaud.

Le principe d'Archimède explique également pourquoi un ballon de football flotte dans l'eau :
Si nous plongeons dans de l'eau un ballon en plastique avec 5 litres d'air, celui-ci va remplacer 5 litres d'eau.
5 litres d'eau pèsent 5 000 grammes.
Selon le principe d'Archimède, ce remplacement se traduit par une force de poussée de 5 000 grammes.

Le ballon et l'air contenu à l'intérieur ont, bien évidemment, un poids commun, en particulier près de 500 grammes pour le ballon et 5 litres d'air, de 1,3 gramme par litre, ce qui représente 506,5 grammes.
Étant donné qu'une force de poussée de 5 000 grammes est considérablement supérieure au poids du ballon, celui-ci va remonter à la surface de l'eau.
Qu'est-ce qui fait que le ballon monte alors qu'il est plus léger que l'air qui l'entoure ?

L'explication réside dans le principe d'Archimède. Archimède était un sage du début de notre ère qui a découvert le principe à l'origine de ces phénomènes. La force de poussée de chaque objet est égale au poids de la matière (dans ce cas, l'air) qui va être remplacée par ce même objet. En d'autres termes, l'air qui se trouvait à la place du ballon pesait 1 300 grammes. Le ballon à air chauffé a remplacé cet air. Ainsi, il y a une force de poussée de 1 300 grammes à la suite du remplacement de l'air froid par le ballon à air chaud.

Le principe d'Archimède explique également pourquoi un ballon de football flotte dans l'eau :
Si nous plongeons dans de l'eau un ballon en plastique avec 5 litres d'air, celui-ci va remplacer 5 litres d'eau.
5 litres d'eau pèsent 5 000 grammes.
Selon le principe d'Archimède, ce remplacement se traduit par une force de poussée de 5 000 grammes.

Le ballon et l'air contenu à l'intérieur ont, bien évidemment, un poids commun, en particulier près de 500 grammes pour le ballon et 5 litres d'air, de 1,3 gramme par litre, ce qui représente 506,5 grammes.
Étant donné qu'une force de poussée de 5 000 grammes est considérablement supérieure au poids du ballon, celui-ci va remonter à la surface de l'eau.
Qu'est-ce qui fait que le ballon monte alors qu'il est plus léger que l'air qui l'entoure ?

L'explication réside dans le principe d'Archimède. Archimède était un sage du début de notre ère qui a découvert le principe à l'origine de ces phénomènes. La force de poussée de chaque objet est égale au poids de la matière (dans ce cas, l'air) qui va être remplacée par ce même objet. En d'autres termes, l'air qui se trouvait à la place du ballon pesait 1 300 grammes. Le ballon à air chauffé a remplacé cet air. Ainsi, il y a une force de poussée de 1 300 grammes à la suite du remplacement de l'air froid par le ballon à air chaud.

Le principe d'Archimède explique également pourquoi un ballon de football flotte dans l'eau :
Si nous plongeons dans de l'eau un ballon en plastique avec 5 litres d'air, celui-ci va remplacer 5 litres d'eau.
5 litres d'eau pèsent 5 000 grammes.
Selon le principe d'Archimède, ce remplacement se traduit par une force de poussée de 5 000 grammes.

Le ballon et l'air contenu à l'intérieur ont, bien évidemment, un poids commun, en particulier près de 500 grammes pour le ballon et 5 litres d'air, de 1,3 gramme par litre, ce qui représente 506,5 grammes.
Étant donné qu'une force de poussée de 5 000 grammes est considérablement supérieure au poids du ballon, celui-ci va remonter à la surface de l'eau.

Le propre poids du ballon

La structure du ballon a, bien évidemment, son propre poids, aussi insignifiant soit-il.

Ce poids du ballon doit être ajouté au poids de l'air à l'intérieur de celui-ci.

Si le poids des deux est inférieur à la force de poussée provoquée par le remplacement de l'air, alors le ballon va remonter.
La structure du ballon a, bien évidemment, son propre poids, aussi insignifiant soit-il.

Ce poids du ballon doit être ajouté au poids de l'air à l'intérieur de celui-ci.

Si le poids des deux est inférieur à la force de poussée provoquée par le remplacement de l'air, alors le ballon va remonter.
La structure du ballon a, bien évidemment, son propre poids, aussi insignifiant soit-il.

Ce poids du ballon doit être ajouté au poids de l'air à l'intérieur de celui-ci.

Si le poids des deux est inférieur à la force de poussée provoquée par le remplacement de l'air, alors le ballon va remonter.


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