Un peu d'histoire

Depuis toujours, les hommes ont rêvé de pouvoir s'élever dans le ciel et de pouvoir voler comme des oiseaux. Déjà à l'époque de Léonard de Vinci, celui-ci avait imaginé puis dessiné des appareils capables de voler.

Il faudra cependant attendre 1782 pour que les frères Montgolfier inventent cet engin volant.

Voici la représentation de la Montgolfier qui a transporté les premiers Hommes dans le ciel en 1783. Démonstration de la force et de la puissance de la France, le ballon était orné de fleurs de lys et des douze symboles du zodiaque.

Les frères Montgolfier

Joseph-Michel et Jacques-Étienne sont deux frères issus d'une famille d'entrepreneurs. Leur père était en effet gérant d'une papeterie familiale à la renommée européenne.

Cependant, les deux frères ne voulaient pas reprendre l'entreprise familiale. Passionnés de physique et de mathématiques, ils devinrent inventeurs et portèrent leurs recherches sur les aérostats.

On définit un aérostat comme un aéronef dont la suspension dans l'air dépend de la poussée d'Archimède grâce à un système de gaz moins dense que l'air.

Les deux frères commencent leurs expériences en travaillant sur l'hydrogène et le fait qu'il est inflammable et moins lourd que l'air. Ils produisent l'hydrogène en versant du vitriol fumant sur de la ferraille (le vitriol est l'ancien nom de l'acide sulfurique).

La première fois qu'ils réussirent à faire élever quelque chose, ce fut dans leur salon, quand pour faire sécher une chemise, ils l'approchèrent de la cheminée et, fermant le col, elle se mit à se gonfler et l'air chaud finit par la porter dans le salon ! Ainsi naquit la toute première "montgolfière" de l'histoire !

Les deux frères se mettent alors en tête de faire voler un aérostat. Ils créent alors un ballon, lourd de 450 kilogrammes, long de 24 mètres et d'un volume de plus de 1000 m3. Ce ballon était constitué de toile en coton et de papier.

On fixe alors la démonstration devant le roi Louis XVI au 19 septembre 1783. Un ballon est envoyé dans le ciel avec, fixé en dessous dans une cage en osier, un mouton, un coq et un canard. Le vol est une réussite et les animaux après avoir parcouru quelques kilomètres à 500 mètres d'altitude sont en bonne santé.

Les deux frères sont donc prêts pour le premier vol humain. Après plusieurs essais en captif (en gardant la montgolfière attachée au sol et retenue par des poids) le moment est venu de lancer le premier homme dans le ciel. C'est alors que la montgolfière lourde de 850 kilogrammes est lâchée avec Jean-François Pilâtre de Rozier, un physicien des Lumières et le Marquis d'Arlandes le 21 novembre 1783. Le vol est un succès, ils partent du Bois de Boulogne pour parcourir 9 kilomètres en culminant à 1000 mètres d'altitude.
Les deux frères reçoivent alors des distinctions du roi de France, Louix XVI. Ils sont nommés membres correspondants de l'Académie des sciences à titre exceptionnel et leur père reçoit des titres de noblesse et voit sa papeterie être nommée Manufacture royale. Ils ont maintenant comme devise "sic itur ad astra" qui signifie "nous irons ainsi jusqu'aux astres ".

Dès le XVème siècle, Léonard de Vinci imaginait déjà des objets volants. Dirigeables, ballons, il n'était plus très loin de la montgolfière telle qu'elle fut créée par les frères Montgolfier en 1783.

La montgolfière

Structure

Les montgolfières se composent de trois parties. L'enveloppe constituée du ballon, la nacelle qui sert à transporter les passager et pour finir, le brûleur qui va chauffer l'air de l'enveloppe pour permettre à la montgolfière de s'élever dans les airs.

L'enveloppe de la montgolfière

C'est cette enveloppe qui va contenir l'air chaud nécessaire à l’ascension de la montgolfière. Il en existe de toutes tailles. Celle-ci dépend du nombre de personnes à porter et donc du poids. Il arrive que certaines enveloppes contiennent plus de 20 000 mètres cubes d'air !
Le ballon est constitué de suites de fuseaux cousus ensemble. Ceux-ci déterminent également la forme du ballon.
Certaines de ces enveloppes sont constituées de systèmes de vidage de l'air. Il en existe des réversibles et des définitifs. Ces systèmes de vidange d'air peuvent prendre la forme d'une soupape circulaire que l'on active grâce à une corde dans la nacelle et qui se referme grâce à la pression de l'air contenu dans le ballon ou encore d'un cône dont on peut modifier le diamètre d'ouverture pour permettre une baisse encore plus rapide de la quantité d'air.
Une autre solution existe, il s'agit d'ouvrir une très grande zone de l'enveloppe afin de permettre de vider une grosse partie de l'air de l'enveloppe. Ces mécanismes de vidange sont surtout utiles lors des atterrissages, notamment en cas de grand vent et pour éviter que le ballon ne traîne sur le sol sur plusieurs dizaines de mètres.

La nacelle de la montgolfière

Comme au temps des frères Montgolfier lorsqu'ils l'ont inventée, la nacelle de la montgolfière est toujours en osier ou en rotin. Seul le contreplaqué a été rajouté afin de fournir un sol. Ces matériaux sont toujours restés privilégiés pour la construction des nacelles puisqu'ils permettent une grande élasticité de ces dernières, nécessaire lors de l’atterrissage.
Elle doit aussi permettre d'embarquer deux ou trois personnes et les bouteilles. Il faut donc qu'elle soit assez spacieuse.

Le brûleur de la montgolfière

Au dessus de la nacelle, accroché par quatre cannées, se trouve le brûleur. Celui-ci est dirigé directement vers la bouche du ballon, afin de réchauffer l'air contenu dans le ballon. Les brûleurs de nos jours peuvent être simples ou doubles. Les doubles permettent une meilleure réactivité du ballon afin de monter. Le gaz utilisé par le brûleur de la montgolfière est le propane liquide. Celui-ci se trouve dans des bouteilles situées dans la nacelle et est diffusé par le biais de tuyaux jusqu'à une veilleuse qui l'enflamme.

Fonctionnement d'une montgolfière

Afin de s'élever dans les airs, la montgolfière met en action plusieurs phénomènes physiques. Tout d'abord, la poussée d’Archimède mais aussi la loi des gaz parfaits.

La poussée d'Archimède

La poussée d'Archimède est un phénomène physique qui décrit le comportement de tout corps plongé dans un fluide qu'il soit liquide ou gazeux soumis à un champ de gravité.

Elle est nommée ainsi en l'honneur d'Archimède de Syracuse, un très grand scientifique grec de 200 avant J.-C.

Elle est causée par l'augmentation de la pression du fluide avec la profondeur. Comme la pression exercée sur la partie basse du corps est supérieure à celle exercée sur la partie haute, le corps est poussé verticalement vers le haut.

Voici la formulation d'origine de cette loi physique :

Tout corps plongé dans un fluide au repos, entièrement mouillé par celui-ci ou traversant sa surface libre, subit une force verticale, dirigée de bas en haut et opposée au poids du volume de fluide déplacé ; cette force est appelée poussée d'Archimède.

Pour que le théorème s'applique il faut que le fluide immergeant et le corps immergé soient au repos. Il faut également qu'il soit possible de remplacer le corps immergé par du fluide immergeant sans rompre l'équilibre.

Voici l'équation qui en résulte :

    \[ \overrightarrow { P } _ { A } = M _ { f } \overrightarrow { g } \]

Avec :

  • Mf< la masse du fluide contenu dans un volume V et déplacé ;
  • g la valeur du champ de pesanteur, de 9,81 N/kg à la surface de la Terre.

Quelques exemples

La poussée d'Archimède intervient dans de nombreux cas de notre vie de tous les jours.

Par exemple, c'est la poussée d'Archimède qui fait qu'on ne coule pas lorsque l'on fait la planche sur l'eau. C'est aussi grâce à elle qu'un glaçon flotte à la surface d'un verre même lorsqu'il fond.

La poussée d'Archimède est aussi très utile à de nombreux appareils flottant ou volant. C'est grâce à elle que les bateaux ne coulent et que les sous-marins peuvent gérer leur profondeur. Les ballons dirigeables et les montgolfières peuvent aussi voler dans le ciel grâce à la poussée d'Archimède et au gaz moins dense que l'air qu'ils contiennent.

Le dirigeable fonctionne presque de la même façon que la montgolfière sauf que dans son cas le ballon est hermétique et gonflé avec un gaz moins dense que l'air tel que de l'hélium ou de l'hydrogène. Il n'a pas besoin non plus de système de chauffage. Cela n'en reste pas moins un appareil qui utilise les principes de poussée d'Archimède et de loi des gaz parfaits pour fonctionner.

L'équation des gaz parfaits

L'équation des gaz parfaits est régie par plusieurs autres lois qui conduirent à la loi finale.

La loi de Boyle-Mariotte

Cette loi établie par deux physiciens concerne la thermodynamique des gaz parfaits. C'est le physicien botaniste Edme Mariotte, un abbé français ayant vécu de 1620 à 1684 et le physicien chimiste Robert Boyle, un itrlandais ayant vécu de 1627 à 1691 qui ont énoncé cette loi sur la pression et les volumes des gaz parfaits.

Cette loi indique que pour garder une température constante durant une augmentation de la pression d'un gaz, il faut que le volume diminue. Cette loi est également vraie à l'inverse, ce qui signifie que pour baisser la pression d'un gaz en gardant la même température, il faut augmenter le volume.

La loi de Charles

Cette loi a été mise au jour par Jacques Charles, un célèbre physicien, chimiste et inventeur français ayant vécu entre 1746 et 1823, et qui fut aussi reconnu comme ayant été le premier homme à avoir fait voler un ballon à gaz rempli d'hydrogène. Cette loi explique que quand la pression d'un gaz reste constante, le volume d'une quantité donnée d'un gaz varie proportionnellement à la température absolue.

Voici la formule énoncée par la loi de Charles ;

    \[ \frac {V_1} {T_1} = \frac {V_2} {T_2} = f(P,n) \]

où f (P,n) est une fonction qui dépend du volume V et de la quantité de matière n qui restent constants dans les états 1 et 2.

La loi de Gay-Lussac

Cette loi de thermodynamique, elle aussi appliquée au gaz parfaits à été énoncée par Louis Gay-Lussac, un physicien chimiste français ayant vécu de 1778 à 1850. Il a effectué de nombreux travaux sur les gaz et leurs propriétés.

Cette loi évoque qu'à volume constant la pression de deux gaz parfaits est liée à la température absolue mesurée en Kelvin.

Voici la relation énoncée par cette loi :

    \[ \frac {P_1} {T_1} = \frac {P_2} {T_2} \]

où V volume constant, P pression du gaz en Pascal et T température du gaz en Kelvin.

La loi d'Avogadro

La loi d'Avogadro, aussi appelée loi d'Ampère ou loi d'Avogadro-Ampère, cette loi de thermodynamique en rapport avec les gaz parfaits fut énoncée en 1811 par Amedeo Avogadro, une célèbre physicien et chimiste originaire d'Italie ayant vécu entre 1776 et 1856. Egalement connu pour avoir donné son nom au nombre d'Avogadro qui sert à calculer le nombre d'éléments contenus dans une mole, il a énoncé cette loi selon laquelle pour deux gaz parfaits différents, le même volume contient forcément le même nombre de molécules si les conditions de pression et de température sont les mêmes, ce qui signifie également qu'à mêmes conditions de température et de pression, tous les gaz parfaits auront le même volume molaire.

D'après cette loi, dans des conditions habituelles de pression à 1 bar et avec 20°C, une mole de gaz parfait occupera 24 L.

Voici la formule exprimée pour deux gaz parfaits 1 et 2 :

    \[ \frac {V_1} {n_1} = \frac {V_2} {n_2} \]

avec V, volume de gaz et n, nombre de molécules de gaz.

La loi de Dalton

Aussi appelée loi des pressions partielles, la loi de Dalton explique que la pression dans un mélange de gaz parfaits est égale à la somme des pressions partielles de tous les gaz qui constituent le mélange.
John Dalton était un chimiste et physicien anglais ayant vécu de 1766 à 1844 qui a effectué de nombreuses recherches sur la physique mais tout particulièrement sur la maladie qui porte son nom : le daltonisme.

Cette loi peut donc s'écrire comme ceci :

    \[ P = \sum_i  P_i = P_1 + P_2 + P_3 + ... \]

Loi générale

Ces 5 lois sur les gaz parfaits constituent la loi générale des gaz parfaits qui s'énonce comme ceci :

    \[ P V = n R T \]

Dans cette équation, on retrouve P, la pression du gaz ; V, le volume du gaz ; n la quantité de gaz exprimé en nombre de moles et R la constante des gaz parfaits qui représente 8,314462 1 J mol−1 K−1.

Les utilisations de la montgolfière

Par le passé, la montgolfière fut très souvent utilisée et ce dans de nombreux domaines car elle était le seul moyen d'aller dans les airs. De nos jours, elle n'a plus qu'une utilité de loisir mais continue à être employée par des passionnées.

Utilisation de loisir

Les enveloppes géantes des montgolfières sont très attrayantes pour les marques qui veulent faire de la publicité lors des sorties loisirs des montgolfières. En effet, il s'agit d'un affichage très grand et très visible, directement dans le ciel ! C'est pourquoi il n'est pas rare de voir des enveloppes de montgolfières ou de ballons dirigeables sponsorisés par des grandes marques.

Des aérostiers (pilotes d'aérostats) proposent au public des voyages en montgolfière de quelques heures pour visiter une région vue du ciel ou tout simplement des baptêmes en montgolfière. Même si ce type d’excursion est très onéreux, la vue est à couper le souffle et magnifique !

Des compétitions de taille et de beauté de montgolfière ont aussi lieu tous les ans sous le contrôle de la commission de l'aérostation.

Quelques records

Le record de personnes transportées en montgolfières est de 32 personnes.

Le record d'altitude atteint en montgolfière est de 21 kilomètres. Il fut validé en 2005.

Le record de distance parcourue en montgolfière est de 7671 kilomètres. Il fut validé en 1991.

Le record de temps passé dans une montgolfière est de 55 heures. Il a été validé en 2017.

Le record de nombre de montgolfières envoyées dans le ciel simultanément est de 456. Il a été atteint lors du Mondial Air Ballons à Chambley, en France.

Utilisation militaire

Durant la Première Guerre mondiale, les montgolfières et les ballons dirigeables étaient fortement utilisés, que ce soit à des fins de reconnaissance ou afin de dépasser les lignes de front. En effet, l’aviation n'en étant qu'à ses débuts, elle ne permettait de piloter des appareils assez fiables pour une guerre des airs.

Cependant, lors de la Deuxième Guerre mondiale, les montgolfières furent abandonnées au profit des avions. Leur seule utilité était la diversion en bouchant la vue des aviateurs ennemis.

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Clément

Freelancer et pilote, j'espère atteindre la sagesse en partageant le savoir que j'ai acquis lors de mes voyages au volant de ma berline. Curieux scientifique, ma soif de découverte n'a d'égale que la durée de demie-vie du bismuth 209.

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