Simulation de Hélicoptères en papier

À propos de cette expérience

Découpe une bande de papier, plie deux ailes et ajoute un trombone : lâche-le, et il tournoie lentement jusqu’au sol comme une graine d’érable. Qu’est-ce qui le fait tomber plus lentement ? Fabrique des hélicoptères en papier avec des ailes plus longues ou plus courtes, davantage de trombones ou du papier plus épais. Lâche-les depuis une toise et chronomètre leur chute. Note chaque chute, répète tes essais et vérifie que chacun est équitable en ne changeant qu’une seule chose à la fois.

Objectifs pédagogiques

Prévois un test équitable en ne changeant qu’une variable et en gardant les autres identiques
Mesure les temps de chute et note-les dans un tableau
Répète les mesures et calcule une moyenne
Décris comment la longueur des ailes et le poids modifient le temps de chute
Explique que la résistance de l’air ralentit les objets qui tombent

Comment l’utiliser

1Lâche trois fois l’hélicoptère avec des ailes de 8 cm et 1 trombone. Les temps sont-ils exactement les mêmes ? Pourquoi pas ?
2Modifie uniquement la longueur des ailes, en la réglant à 6 cm, puis lâche-le trois fois. Essaie ensuite avec 10 cm et 12 cm.
3Observe le graphique. Que devient le temps de chute lorsque les ailes s’allongent ?
4Garde les ailes à 8 cm et essaie avec 0, 2 et 3 trombones. Fais d’abord une prédiction, puis vérifie-la.
5Essaie avec du papier cartonné plutôt qu’avec du papier pour imprimante. Un hélicoptère plus lourd tombe-t-il plus vite ou plus lentement ?
6Affiche la ligne de prédiction. Tes résultats la suivent-ils ?

Le modèle

average = \frac{t _{1} + t _{2} + t _{3}}{3}

Moyenne de trois mesures répétées

v = \frac{distance}{time}

Vitesse moyenne de la chute

m g = \frac{1}{2} ρ v^{2} C_{d} π R^{2}

Pour les élèves plus âgés : à vitesse constante, le poids est équilibré par la résistance de l’air exercée sur les ailes en rotation

Hypothèses

L’hélicoptère est découpé dans du papier : deux ailes de 3 cm de large et un corps de 3 cm × 8 cm. Chaque trombone a une masse de 0,5 g.
Les ailes en rotation agissent comme un disque dont le rayon correspond à la longueur des ailes et dont le coefficient de traînée est de 1,3. Cela donne des vitesses de chute similaires à celles de vrais hélicoptères en papier.
Chaque mesure au chronomètre comporte une petite erreur humaine aléatoire de mesure du temps, mais le même hélicoptère et le même numéro de chute donnent toujours le même résultat.
L’hélicoptère commence à tourner immédiatement et l’air est calme. Les vrais hélicoptères sans trombone peuvent osciller ou dégringoler au lieu de tourner.

À essayer en classe

Q1Pourquoi faut-il lâcher chaque hélicoptère plus d’une fois ?
Q2Un élève a modifié en même temps la longueur des ailes et le nombre de trombones. Pourquoi le test n’est-il pas équitable ?
Q3Un hélicoptère a mis 2,4 s, 2,6 s et 2,5 s. Quel est le temps moyen ?
Q4Quel hélicoptère resterait le plus longtemps en l’air : celui avec de longues ailes et sans trombone, ou celui avec des ailes courtes et trois trombones ?
Q5Comment les graines d’érable et de sycomore utilisent-elles la même idée ?

Foire aux questions

Pourquoi l’hélicoptère tourne-t-il ?

Lorsqu’il tombe, l’air pousse vers le haut sous les ailes. Comme les ailes sont pliées dans des directions opposées, la poussée sur chacune d’elles est légèrement latérale, et les deux poussées font tourner l’hélicoptère. En tournant, les ailes captent davantage d’air et ralentissent la chute.

Pourquoi tombe-t-il plus lentement avec des ailes plus longues ?

En tournant, les ailes plus longues balaient un cercle d’air plus grand, ce qui augmente la résistance de l’air. Elles ajoutent aussi un peu de poids, mais la résistance supplémentaire de l’air a un effet plus important.

Pourquoi ajouter un trombone ?

Le trombone maintient le poids en bas, ce qui permet à l’hélicoptère de rester droit et de tourner au lieu de basculer dans tous les sens. Trop de trombones l’alourdissent et le font tomber plus vite.