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Ateliers scientifiques au Creusot – Ballons météos captifs

mardi 2 juillet 2019, par Frédéric LEOTHAUD

Depuis le mois de mars, les élèves de M. Dechaume (école primaire de Saint Eusèbe) et de la 2de Aéronautique et Espace (Lycée Blum du Creusot) travaillent sur la réalisation de ballons météos captifs connectés. Cette nouvelle activité expérimentale a pour objectif d’engager les élèves dans un projet mêlant les sciences et le numérique, tout en les sensibilisant aux enjeux du développement durable.
Durant plusieurs semaines, les 2 classes ont collaboré à la construction des nacelles et des enveloppes solaires des ballons, ont mis en œuvre divers capteurs électroniques (température, altitude, pression …), ont programmé des cartes Arduino, ont configuré une caméra, et ont étudié une liaison hertzienne entre le ballon et le sol … Ce projet expérimental était pour tous une grande première.

Construction du ballon solaire par les élèves de l’école primaire de Saint Eusèbe
La construction du ballon solaire a débuté le 15 mars 2019. Les élèves de CM ont tracé, découpé, puis assemblé les divers fuseaux du ballon.
Les élèves : "On a fait des groupes de 5. Dans chaque groupe, chacun a participé au placement du gabarit, au traçage et au découpage. Le maître nous a expliqué ce qu’il fallait faire. On a posé le plastique noir par terre, on l’a fixé avec du scotch. On a posé le gabarit en papier dessus. On a bien aligné le gabarit et le plastique. On a tracé une ligne à 1 cm du gabarit avec un marqueur. On a découpé en faisant bien attention et on a plié le fuseau. Puis nous avons assemblé les différentes parties. Ce travail nous plaît et nous avons hâte de voir le ballon s’envoler."

La nacelle ainsi que la programmation de la carte électronique (et de ses capteurs associés) furent réalisés en collaboration avec des enseignants du projet « Utopi » de l’IUT du Creusot ; M. Charignon et M. Poirier.
La nacelle fut imprimée, après avoir été conçue à l’aide du logiciel « Freecad », au sein de la classe, à l’aide d’une imprimante 3 D.
Les élèves : « la nacelle a mis 8h pour être réalisée. Tout au long de la journée nous observions du coin de l’œil l’avancée de l’impression et à notre retour, après le déjeuner, nous étions pressés d’observer son avancement »

Deux cartes « Arduino » sont programmées.
-  La première pour réalisé une station météo embarquée. Mesure de la température, de la pression atmosphérique
-  La deuxième permettant de prendre des photographies.
Les élèves de CM1 et de CM2 ont pu ainsi réaliser une partie de la programmation en réfléchissant à de petits algorithmes puis en associant des « blocs de fonctions ».


Construction du ballon solaire par les lycéens de Blum :
Ce projet a permis de réaliser un travail transdisciplinaire et a été un des fils conducteurs du 3ème trimestre

En Sciences de l’ingénieur (S.I.) :
Le cahier des charges pour les élèves fut le suivant :
Conception d’une station météo avec les éléments suivant :
- 1 carte Arduino « nacelle » pour gérer la programmation des prises de mesures des différents capteurs, les prises de photographies, enregistrer des données sur carte micro sd, et transmettre des données par émetteur radio.
- 1 carte Arduino « sol » pour la communication (sol/air) en direct par récepteur radio.
Choix des capteurs :
- capteur bmp280 en liaison I2C pour la température, pression et altitude
- capteur Q135 pour la Qualité d’air. - module caméra VC0607
- émetteur/ récepteur nrf24l01

En Sciences de la vie et de la Terre (S.V.T.) : Etude et Construction d’un ballon thermique
SVT Séance 1
Recherche du volume, de la forme la plus adaptée au vol d’un ballon thermique pour une surface donnée.
Propositions et hypothèses des élèves.
Travail sur un tableur Excel (construction graphique après calculs intégrés dans un tableau).
Résultat de la prospection sur le rapport entre surface et volume pour différentes formes volantes potentielles.
• Autres paramètres à prendre en compte pour l’ascension de la structure à construire.
• Bilan et choix de la construction la plus favorable au vol.
Sachant la forme choisie, quel volume envisager pour être "certain" que celle-ci vole, une fois gonflée à l’air chaud ? Pour cela il faut répondre à deux questions :
1. Quelles forces s’exerçant sur un ballon gonflé à l’air chaud ont pour conséquence sa chute ou son ascension ou son maintien en équilibre stationnaire dans l’air ?
2. Comment calculer le volume minimum à partir duquel le ballon s’envole ?
Comment construire la structure volumique sélectionnée dont le volume est déterminé par le calcul ?
Comment gonfler la structure volumique à l’air chaud ?

SVT Séance 2
Résultats du calcul du volume minimal d’air chaud à 50°C nécessaire à l’envol du ballon thermique. Nécessité de connaître la masse du ballon. A déduire de la masse du papier de soie utilisé au m2
D’où la nécessité première de trouver comment construire une sphère en papier.
Présentation des canevas de construction (demie-ogive). Calcul de la surface de papier correspondant et donc de la masse de papier de soie nécessaire. Possibilité de photographier un canevas et de déterminer la surface totale de papier nécessaire à partir de cette photo et de mesures.
• Réalisation de deux ballons en papier de soie par les élèves. Deux équipes de 6 élèves.
• Réalisation d’un plus grand ballon « VITASCIENCE » en polyéthylène : Une équipe de 6 élèves.

SVT Séance 3
Assemblage et collage des pièces réalisées. Finalisation de la construction.


En Physique Chimie : Choix et étude du capteur de pression
Vérification expérimentale de la loi de Mariotte-Boyle présentée en SVT.
Prendre connaissance des différentes unités de la pression puis pouvoir analyser les paramètres qui pourront influer sur le gonflage du ballon.

Mise en œuvre du capteur de pression puis analyse et validation des courbes obtenues.
Recherche de l’équation mathématique qui relie la pression et l’altitude.
Validation des courbes obtenues en comparants aux relevés topographiques.

Exemple de résultats obtenus, après analyse, sur un trajet sur les hauteurs du Creusot.


Le Jour J est arrivé !! … la Journée Espace Primaires / Lycéens

Planning de la journée du 20 juin.

Matin : Conception de microfusées
Après midi : Lancement des microfusées
Mise en œuvre du ballon solaire

La journée en photos
Réalisation puis assemblage des fusées … sans oublier les parachutes.
Construire et lancer une microfusée … les petites sœurs d’Ariane.
C’est la plus petite de la famille des fusées propulsées par des moteurs à propergol solide.
La microfusée permet de s’initier sans danger, mais toujours en présence d’un animateur ou d’un enseignant, aux conditions de vol d’un lanceur.
Elles peuvent d’élever jusqu’à 100 m de hauteur !

Le ballon solaire
Le vent, qui soufflait par rafales, n’a hélas pas permis de mettre en œuvre les montages électroniques réalisés pas les élèves. Un gonflage correct du ballon n’a pas pu être réalisé.

Petits ballon à Air Chaud

Dés que la météo sera plus favorable d’autres essais seront réalisés.

Ballon Solaire : Quelques Questions / Réponses

Combien de temps faut-il envisager pour la construction du ballon ?
La construction du ballon en elle-même dure 4h environ, avec les élèves répartis en différents ateliers (construction de l’enveloppe du ballon, aménagement de la nacelle et branchement et test de l’électronique embarquée).

La prise en main du logiciel électronique est-elle rapide ? Durée approximative pour s’initier ?
Le montage électronique est basé sur la technologie Arduino.
Quelqu’un n’ayant jamais « touché » d’électronique réussira à tout prendre en main en moins de 2h (branchements inclus).

Quel sont les paramètres mesurés ? Varient-ils au cours du vol ?
Le montage mesure, dans notre cas, la température, la pression et l’altitude.
On constate nettement les écarts de pression et d’altitude, en revanche la baisse de température est moins significative.
La pollution (taux de CO2) varie en fonction de l’endroit où se déroule le vol, mais présente au final peu d’intérêts. Mais on peut observer les variations en classe (lorsqu’on souffle sur les capteurs).

Quelles conditions météorologiques sont nécessaires pour l’envol du ballon ? Quelles saisons ?
Le vol nécessite un jour sans vent et avec du soleil. Éclairé directement par le soleil, le ballon décolle très rapidement (5 min environ). Un ciel légèrement nuageux conviendra à condition d’attendre un “trou de soleil”.
En revanche, le vent est un vrai problème, car le ballon peut se déchirer en cas de rafale au-delà de 10km/h. Le vent est en général plus faible en matinée car les vents dits “thermiques” ne sont pas levés, l’idéal est donc un vol entre 9h et 12h.
La variable qui importe est la différence de température entre l’intérieur et l’extérieur du ballon, la température ambiante n’influence pas (au premier ordre), donc la saison n’importe pas.

Quelles exploitations peut-on faire des données acquises ?
Les données peuvent servir à illustrer la physique de l’atmosphère (variation de la pression et de la température en fonction de l’altitude), la détection des polluants (CO2 en soufflant dessus, butane avec un briquet…), l’initiation au codage informatique, ….
Ce projet permet de faire un travail transdisciplinaire et « transniveaux ».

Equipes pédagogiques du Projet et Remerciements :
Lycée L. Blum : M. Christophe Miguet, M. Sébastien Fortin et M. Hélias
Pour Utopi (IUT du Creusot) : M. Charignon et M. Poirier
Ecole Primaire Saint-Eusèbe : M. Yves Dechaume

Nous remercions :
la Ville du Creusot pour nous avoir prêté les locaux du Centre de Loisirs et du matériel,
Le C.S.T.I. et la Fédération des parents d’élèves pour l’aide financière,
l’ensemble des « laborantins » du lycée pour leur précieuse aide logistique,
et les parents d’élèves pour l’encadrement des élèves de CM