Comment fonctionne une

montgolfière ? par BRARD EMMANUEL

« Si l’homme s’inspire souvent de la nature, pour voler,

les oiseaux semblaient être la référence. Alors que les héritiers

d’Icare se cassaient les ailes, les frères Montgolfier se mirent au

ballon avec réussite. Mais comment font-elles pour voler ? »

(www.pomms.org)

Pour commencer le principe général qui va être décrit

dans la suite de cet article s’applique aussi au ballon dirigeable et

au ballon solaire, entre autres.

En réalité c’est assez simple : seules deux forces s’appliquent sur

une montgolfière :

Son poids

La poussée d’Archimède

En physique, on a l’habitude de représenter les forces

par des vecteurs. Un vecteur est caractérisé par sa direction

(horizontale, verticale, oblique...), son sens (vers la droite, la

gauche, vers le haut, vers le bas), et par sa norme, la norme du

vecteur représente l’intensité de la force. En géométrie, on

représente les vecteurs par des flèches qui reprennent les

caractéristiques du vecteur.

Sur le schéma ci-dessus, on a bien : le poids représenté par le

vecteur P, on peut considérer que cette force s’applique au

centre de masse, c’est-à-dire à l’endroit où se concentre la masse

du ballon ajouté à celle de la nacelle, et à celle des personnes

dans la nacelle. Cette force est proportionnelle à la masse (ce

que mesure un pèse-personne, ou une balance) : plus un objet

est massif et plus son poids est élevé. Elle est dirigée de haut en

bas (lorsque vous lancez un objet en l’air, il retombe).

Il y a aussi la poussée d’Archimède, représentée par le vecteur

Pa, dont le principe est que tout objet immergé dans un fluide

(par exemple l’air ou l’eau) est soumis à une force dirigée de bas

en haut et dont l’intensité est égale au poids du volume de ce

fluide déplacé (égal au volume du corps immergé). Prenons un

exemple, imaginons un ballon de plage, gonflé d’air, que l’on

maintient dans l’eau d’une piscine :

Ici le volume de fluide déplacé correspond exactement au

volume d’eau qu’aurait pu contenir le ballon s’il avait été rempli

d’eau au lieu d’être rempli d’air. Que se passe-t-il si l’on lâche le

ballon ? Il remonte, et ce, grâce à la poussée d’Archimède, dont

l’intensité sera supérieure à celle du poids.

Finalement pour que notre montgolfière vole, il faut que

l’intensité de la poussée d’Archimède soit supérieure à celle de

son poids. Pourquoi celle-ci est-elle supérieure ? Dans l’exemple

de notre ballon, la poussée d’Archimède est liée au volume d’eau

qu’aurait pu contenir le ballon ; quant à son poids il est lié à la

masse du volume d’air emprisonné dans le ballon. Comme l’air

est "plus léger" que l’eau, le ballon remonte. En réalité, on

devrait parler de masse volumique ou encore de densité :

prenons un kilogramme de fer et un kilogramme de plume

d’oiseau, il est évident que les deux sont aussi lourds, aussi

massiques l’un que l’autre, par contre, prenons un mètre cube

de fer et un mètre cube de plumes d’oiseau, dans ce cas il est

clair que le fer est plus lourd car la masse volumique du fer est

supérieure à celle d’une plume d’oiseau, dans notre exemple,

donc c’est la masse volumique ou encore la densité de l’air qui

est plus faible que celle de l’eau.

Qu’en est-il pour une montgolfière remplie d’air et qui

vole dans l’air ? Nous avons ici affaire au même fluide, l’air

contenu dans le ballon de la montgolfière, et l’air contenu à

l’extérieur. Pour que notre montgolfière vole, il faut, rappelons

le, que l’intensité de la poussée d’Archimède soit supérieure à

celle du poids. Son intensité est directement liée au volume de

l’air extérieur qui aurait pu être contenu dans le ballon, cette

valeur est fixe. Par contre, le poids de la montgolfière dépends

quand à lui de la masse du volume d’ air contenu dans le ballon,

autrement dit pour qu’elle s’élève dans les airs, l’air contenu

dans le ballon devrait être "plus léger" ou moins dense (de masse

volumique moindre) que l’air extérieur, c’est exactement ce qui

se passe car le pilote de la montgolfière chauffe (avec une

flamme que l’on voit parfois) l’air contenu dans le ballon ce qui a

pour effet de diminuer sa densité, on dit toujours que la

"chaleur" monte, et bien c’est par la poussée d’ Archimède.

Que se passe-t-il si le poids et la poussée d’Archimède ont même

intensité ? Le ballon est stationnaire, en inertie, il ne monte plus

et ne descend pas. Ce qui permet alors à notre montgolfière (ou

ballon dirigeable) de voyager dans le ciel d’un endroit à un autre,

et ce au bon vouloir du vent …

Par BRARD Emmanuel, e.brard@gmail.com,

étudiant en Communication Scientifique à

L’université Louis Pasteur – Strasbourg, écrit

originellement pour le portail et magazine de

médiation scientifique PÓmms (www.pomms.org)

© 2006-2007 BRARD Emmanuel