Olympiades de Physique 2005

Cité scolaire de TARARE :

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-Lycée professionnel Jules Verne -Lycée René CASSIN

Titre du projet : Mise en évidence des facteurs provoquant une tornade.

Groupe :

Elèves : CLEMENT Caroline Terminale Bac Scientifique Au lycée René CASSIN. DOGAN Omer Terminale Bac Professionnel Electrotechnique Au lycée Professionnel Jules VERNE. ROCHARD Christophe Terminale Bac Professionnel Electrotechnique au lycée Professionnel Jules VERNE. TIXIER Emmanuel Terminale Bac Professionnel Electrotechnique au lycée professionnel Jules VERNE.

Professeurs: ERRAMI Mustapha : Professeur de Maths, Sciences physiques Au lycée professionnel Jules VERNE (professeur responsable du projet). MIALANE Olivier: Professeur de physique Au lycée René CASSIN.

Partenaires: SFP des olympiades de physique Université Claude BERNARD de Villeurbanne Mairie de Tarare Rectorat de l'Académie de Lyon. Conseil Régional du Rhône

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Sommaire

Résumé du projet……………………………………………………P.4 Bilan financier……………………………………………………….P.5 Idée et organisation du projet………………………………………P.6 Histoire de la météorologie…………………………………………P.7 Fréquence des tornades dans le monde……………………………P.9 Les tornades en France…………………………..............................P.10 Intensité des tornades…………………………................................P.11 Comment naissent les tornades…………........................................P.13 Etude expérimentale……………......................................................P.18 Conclusion…………………………………………………………..P.24

Remerciements……………………………………………………...P.25

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Résumé du projet

Dès le début, nous étions conscients de la difficulté du sujet mais nous

avons tenu à l’aborder car le phénomène des tornades nous intrigue par sa

dimension gigantesque.

Suite à notre étude, nous avons constaté que les scientifiques météorologues

arrivent aujourd’hui à prévoir sensiblement le phénomène pour épargner des

vies humaines. Mais l’interprétation scientifique précise reste à venir. Le degré

de violence des tornades fait que les chercheurs n’arrivent à placer ni le matériel

nécessaire aux différentes mesures, ni même un observateur.

Nous avons réalisé plusieurs expériences afin de pouvoir comprendre

certains phénomènes. Vers la fin de notre étude, nous avons retenu une partie de

ces expériences pour la présentation du projet.

Malgré les difficultés rencontrées nous avons trouvé beaucoup de plaisir à

travailler ensemble, élèves du lycée professionnel Jules VERNE et lycée René

CASSIN.

Ce travail nous a permis de découvrir la démarche scientifique et

d’apprécier le travail en groupe, mais aussi d’approfondir nos connaissances sur

un phénomène qui reste encore assez mystérieux.

Nous avons apprécié particulièrement la compagnie de Monsieur

DUFFAIT qui est venu plusieurs fois à Tarare pour nous aider dans notre travail.

Nous le remercions beaucoup pour son aide précieuse et sa gentillesse.

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Bilan financier

Recettes :

Organismes Somme allouée (€)

SFP Olympiades de physique 400 Rectorat de l’Académie de Lyon 420

Conseil Régional du Rhône 380 Etablissement 104

TOTAL 1304

Dépenses :

Articles Coût (€) Matériel de réalisation 804

Documentation 150 Transport 350 TOTAL 1304

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Idée et organisation du projet :

Notre Cité scolaire de Tarare dispose d'un atelier de culture scientifique et

technique depuis septembre 1998. C’est dans le cadre de cet atelier que nous avons réalisé notre projet.

Notre professeur nous a parlé du concours des Olympiades de physique.

Nous savions aussi qu'un groupe d'élèves de notre Lycée avait réussi au concours des Olympiades 2003 avec leur projet sur le bélier hydraulique.

Nous nous sommes décidé à notre tour à nous engager dans l'étude d'un

projet scientifique. Monsieur ERRAMI a formé le groupe et a ouvert la discussion avec nous sur le choix du sujet.

Suite à de multiples propositions, nous avons retenu le sujet d'études sur les

tornades. Le professeur nous a mis en garde au niveau de la difficulté expérimentale

du sujet : aucune tornade réelle n’a été provoquée dans un laboratoire. Nous avons donc décidé, à défaut de produire une tornade, d’étudier et de mettre en évidence les facteurs qui interviennent lors de son apparition. Pour cela, nous avons pu réaliser diverses expériences ou simulations.

L'année dernière, nous avons travaillé les vendredis de 12h à 14h et dès le

mois de septembre 2004, nous travaillons les mercredis après-midi en fonction de la disponibilité des élèves : les Bacs blancs au lycée René CASSIN et les périodes de formation en entreprise au lycée professionnel Jules VERNE. Nous avons aussi travaillé à tour de rôle les mardi de 16h à 18h.

A cette occasion, nous avons profité de l'aide et des conseils de Monsieur

DUFFAIT, Professeur à l'université Claude BERNARD. Nous nous sommes également intéressés à l’aspect historique et

géographique de la question. Ensuite nous nous sommes penchés sur l'étude expérimentale.

D’autres élèves ont participé aux travaux dans le cadre de l’atelier scientifique de la cité scolaire.

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Histoire de la météorologie

Le royaume des dieux

Très tôt, les hommes ont essayé d’interpréter les phénomènes météorologiques qui conditionnaient et rythmaient une partie de leur existence.

Les chinois furent les premiers à avoir une démarche vigoureuse face aux phénomènes météorologiques : ils effectuaient des observations de manière régulière. Sous la dynastie Yin (1300 avant Jésus Christ) elles concernaient la hauteur de la neige, l’aspect du ciel, le vent.

Les grecs, un peu plus tard se sont également intéressés à la météorologie, mais selon eux, les phénomènes étaient régis par les dieux : ces évènements néfastes à l’Homme étaient considérés comme la manifestation de forces surnaturelles, conséquence de la colère des dieux.

EOLE : Fils d'Hippotes, dans l'Odyssée, il habite une île flottante; il y reçoit Ulysse, et lui fait cadeau d'une outre merveilleuse dans laquelle étaient enfermés tous les vents contraires à sa navigation.. Mais pendant le sommeil d'Ulysse, ses compagnons poussés par la curiosité, ouvrirent l'outre et laissent ainsi s'échapper tous les vents qui déchaînèrent une série de tempêtes. SHOU : dieu de l’air (Egypte) au coté de Amon-Rê créateur de l’univers. QUETZALCOATL : Dieu de l'air. Il présidait au commerce. Ehecatl ou Eecatl c'est Quetzalcoatl sous la forme de dieu du Vent. Représenté avec un masque en forme de bec de canard ou sous la forme d'un singe soufflant. CHAAK : était en premier lieu le dieu de la pluie mais, par association d'idées, il était aussi le dieu du vent, du tonnerre et de la foudre. (Maya) FUUJIN : (Japon) : Kami du vent. Généralement dépeint comme un démon portant un sac contenant les vents sur l'épaule.

L’éveil de la raison

Les grecs furent les premiers à adopter une approche d’analyse et d’explication rationnelle des phénomènes météorologiques. Anaximandre (610-546 avant J.C) avait déjà une idée précise de la nature du vent : il pensait qu’il s’agissait d’un flux d’air.

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Empédocle établit la théorie des quatre éléments (terre, eau, air, feu) donc

les combinaisons devaient être à l’origine du froid, de l’humidité, de la chaleur et de la sécheresse.

Aristote publie un ouvrage sur le vent en –350. Durant les siècles suivants,

les paysans et les marins notèrent les variations du vent, des nuages et du comportement des animaux, mais il n’existait pas d'instruments de mesure.

Léonard de Vinci invente la girouette en 1500. En 1643 Torricelli invente le baromètre à mercure. L'instrument sera plus maniable avec l'invention de la capsule vide d'air (baromètre anéroïde) par Vidi en 1874.

En 1664 invention de l'anémomètre par Hooke. Il sera perfectionné en 1790 par Wattman.

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Les tornades en France

Les 14 tornades répertoriées La France, par exemple, a subi seulement 14 tornades de forte

puissance (F4 et F5 sur l’échelle de Fujita) entre 1680 et 1988. Ces perturbations majeures frappent principalement le Nord et le Centre Ouest.

Principales tornades françaises - La première tornade recensée en France : en septembre 1669. Elle effectua

un parcours long de 400 Km allant de La Rochelle à Paris. Aucune tornade ne battit ce record, on lui attribua la plus longue distance parcourue en Europe.

- Le 2 Janvier 1999, une tornade frappe le cœur de la ville de Tours, faisant

trois blessés et d'importants dégâts. Des arbres centenaires sont abattus par la violence du phénomène. Le maire de la ville demande à être considéré comme ville sinistrée, ce qui est refusé par l'état français.

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Intensité des tornades 1° L’échelle de Fujita

Un chercheur japonais a établi une classification dans le but de mesurer l’intensité des tornades. L’échelle de Fujita comporte six degrés, allant de F0 à F5 selon la vitesse approximative des vents et les dommages causés par les tornades.

La raison pour laquelle les tornades sont classées ainsi selon les

dommages est qu’aucun instrument de mesure (anémomètres et baromètres) ne résiste à la force des vents d’une tornade.

FORCE Intensité Vitesse du

vent (Km/h)

Type de dommage

F0 Faible 65-115 Dommages mineurs aux cheminées, branches cassées…

F1 Modérée 115-180 Maisons mobiles abîmées, voitures en mouvement poussées hors des routes…

F2 Significative 180-250 Destruction des maisons mobiles, déracinement des grands arbres…

F3 Sévère 250-320 Trains renversés, murs des maisons démolis… F4 Dévastatrice 320-420 Maisons soulevées, autos projetées…

F5 Incroyable Plus de 420 Désintégrations des maisons et voitures projetées à plus de 100 mètres…

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2° Les dommages

Les vents violents des tornades détruisent des immeubles et projettent des objets lourds à de grandes distances. Des objets tels que des morceaux de toit peuvent voyager sur des dizaines de kilomètres.

La plupart des débris vont retomber à gauche du sillon creusé par le

passage de la tornade et vont être disposés en bandes bien définies selon leur poids.

Enfin, ces grands tourbillons peuvent soulever des débris à plusieurs

kilomètres d’altitude et les emporter sur plus de 300 kilomètres en moyenne.

3° Les tornades en Europe et en France

Les régions tempérées Européennes n’échappent pas aux tornades, même si les conditions de formation sont plus difficiles à cerner et donc à prévoir. Ce type de manifestation reste malgré tout assez rare.

On estime à environ 180 le nombre moyen de tornades par an sur la

France métropolitaine.

Les probabilités d’intensité sont d’à peu près : - 80% pour l’échelle F0, - 15% pour F1, - 4% pour F2, - 1% pour F3, - 0,1% pour F4, - 0,001 % pour F5.

Ainsi, il doit se produire en moyenne deux tornades faibles (F0 ou F1) par an et par département. Les risques de tornades fortes (F4 ou F5) semblent limités à quelques régions (Nord-ouest, Jura, Languedoc), avec une fréquence moyenne d’environ une tous les cinq ans. La plupart des tornades (70%) sont observées de mai à septembre, période durant laquelle les orages sont les plus nombreux.

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Comment naissent les tornades ?

1° Les facteurs climatiques :

A l’origine, de l’air chaud et humide est piégé sous une masse d’air froid

par une couche d’air chaud plus stable.

Si le soleil tape très fort, il se forme, à partir du sol, des bulles d’air un peu plus chaudes que l’air ambiant. Elles vont monter jusqu’à la couche d’air stable qui va stopper normalement leur ascension. Mais il arrive qu’une bulle surchauffée parvienne à franchir cette barrière.

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2° Les différentes étapes : 1ère étape :

En s’élevant, la vapeur d’eau contenue dans cette bulle se condense en

relâchant de l’énergie : un nuage apparaît. Ainsi réchauffée, la bulle reste plus légère que l’air environnant et poursuit son ascension en édifiant un nuage d’orage, le cumulo-nimbus.

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2ème étape :

L’appel d’air provoqué par l’ascension de la bulle de chaleur crée une puissante aspiration au niveau du sol. Ce courant d’air ascendant, s’il rencontre des vents cisaillant en altitude, va se mettre à tourner lentement, puis de plus en plus vite.

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3ème étape :

Dans l’air sec de la moyenne troposphère, une partie de l’eau précipitée par le nuage redevient vapeur en pompant de l’énergie.

Le courant d’air frais ainsi créé est aspiré en descendant par le tourbillon d’air chaud ascendant autour duquel il vient s’enrouler.

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4èmeétape :

L’air froid poursuit sa descente jusqu’au sol en amplifiant le tourbillon d’air chaud : la tornade apparaît. Elle suit ensuite son nuage, poussée par les vents dominants. Elle finira par mourir si la source d’air chaud à sa base se tarit ou est refroidie par la pluie.

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Etude expérimentale

Après cette étude, nous nous rendons compte à quel point le facteur

température rentre en jeu dans la naissance des tornades. La chaleur monte suivant un mouvement rectiligne. Sous l’effet de vents cisaillant, une rotation de la colonne d’air chaud sur elle-même apparaît. On ne sait pas comment ce mouvement de rotation s’auto-entretient, mais nous avons réussi à mettre en place une expérience lors de laquelle le phénomène se produit.

A partir de là, nous avons concentré nos travaux sur la mise en évidence du

fait que l’air chaud monte, comment l’aspiration peut prendre naissance à partir d’un mouvement de rotation, et la possibilité pour ce mouvement de rotation de s’auto entretenir.

A) Température :

Exp.1 : Mise en évidence de l’ascension de l’eau chaude

Le dispositif est composé d’un cristallisoir rempli d’eau froide, d’un sachet en plastique rempli d’eau chaude colorée avec du permanganate de potassium. On maintient le sachet au fond du cristallisoir. En laissant s’échapper un mince filet d’eau chaude colorée, on observe que celle-ci monte.

Exp.2 : Mise en évidence de l’ascension de l’air chaud

Le dispositif est composé d’un support relié au courant du secteur (230V~) sur lequel on a placé une ampoule de 100 W, et, au-dessus une hélice métallique. L’objectif de cette expérience est de montrer que l’air chaud a tendance à monter et que l’air froid descend. Ce phénomène est l’un des facteurs qui participent à la formation des tornades.

On alimente l’ampoule et on place l’hélice sur le support. Au bout de quelques minutes cette dernière

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commence à tourner. En plaçant une feuille de papier autour du dispositif de façon à canaliser l’air chaud, on réduit le temps d’attente et on accélère la rotation de l’hélice.

Quand l’ampoule est alimentée, elle transforme une partie de l’énergie

électrique en énergie thermique qui se disperse autour de l’ampoule et échauffe l’air ambiant. Le mouvement d’air chaud ascendant entraîne la rotation de l’hélice métallique.

Cette expérience permet de bien visualiser le fait que l’air chaud monte

suivant un courant ascendant. C’est ce phénomène, qui intervient dans la formation des tornades que nous avons essayé de reproduire et d’utiliser dans un autre dispositif : la caisson cylindrique.

A) Mise en évidence de l’aspiration :

Le dispositif se compose d’un ventilateur sur lequel est placé une plaque en bois pleine sur laquelle huit lames de bois sont colées perpendiculairement. Lorsqu’on adapte devant le ventilateur une plaque circulaire percée d’un trou central, on remarque un phénomène d’aspiration au niveau du trou. On place devant le ventilateur la plaque en bois et le tube. A son extrémité on dépose du sable. Puis on met en marche le ventilateur ; le sable est aspiré et ressort de part et d’autre du ventilateur.

Nous voyons donc que la rotation de l’air contenu entre les lames provoque une aspiration au centre du dispositif, comme c’est le cas au cœur des tornades. La rotation des pâles crée une dépression au centre du ventilateur, et donc une aspiration.

B) Création d’un tourbillon : Pour cette expérience on utilise un bécher que

l’on a rempli d’eau coloré avec de la fluorescéine et que l’on place sur un agitateur magnétique. On met en marche l’agitateur magnétique. On observe un tourbillon d’eau et une dépression au centre.

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C) Création d’une tornade dans un fluide : l’eau

Pour cette expérience on utilisera 1 bouteille en plastique, un bouchon

ayant été percé (diamètre du trou d’environ 2 cm), de l’eau colorée pour améliorer la visibilité du phénomène.

On remplit la bouteille avec de l’eau colorée (le colorant n’ayant aucun

effet sur l’expérience) Puis, après l’avoir bouchée, on la retourne. En plaçant la bouteille remplie verticalement, l’eau ne coule presque pas. En revanche, si l’on anime la bouteille d’un mouvement de rotation pendant quelques secondes, l’eau se met à tourner, et une bulle d’air monte. On observe alors une colonne d’air autour de laquelle l’eau tourne à grande vitesse. C’est une tornade. L’intérêt de cette expérience, au delà de son caractère démonstratif, c’est de montrer qu’un mouvement de rotation, certes initié par l’expérimentateur, arrive à s’auto-entretenir. C’est ce même phénomène qui se manifeste dans les tornades : la rotation de l’air engendre une aspiration au centre de la tornade, et cette aspiration permet à la rotation de continuer.

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Air froid (bombe aérosol)

Vent cisaillant (sèche cheveux)

Colonne d’air chaud ascendant

Trou diamètre variable sur

couche air stable (contreplaqué)

Réserve air chaud

D) Caisson en bois :

Dès le début, nous avons élaboré un dispositif permettant d’étudier les paramètres influant la naissance des tornades. Une réserve d’air chaud, une couche d’air stable, et une colonne d’air ascendant dans une zone plus froide, où agissent des vents cisaillant : nous voulions réunir au laboratoire tous les éléments que nous avions trouvé lors de notre recherche théorique.

Nous avons ainsi réalisé un caisson de forme cylindrique aux dimensions

considérables. Un espace vide en bas pouvant accueillir une plaque chauffante, une planche de contreplaqué pour modéliser la couche d’air chaud stable, percé un trou de diamètre variable, des bombes d’air réfrigérant pour l’air froid, et un sèche-cheveux pour les vent cisaillant : tous les ingrédients étaient réunis.

Il fallait fermer le cylindre tout en pouvant observer les mouvements d’air :

nous avons utilisé une porte en plexiglas. En projetant de l’eau ou en plaçant une casserole d’eau sur la plaque

chauffante, nous avons pu observer le mouvement naturel de la vapeur chaude dans le cylindre. Mais en essayant de créer l’enroulement, le sèche cheveux dispersait la vapeur et nous ne pouvions rien observer. Nous avons essayé de faire varier le diamètre de la colonne d’air chaud , mais sans succès : il nous fallait un dispositif plus « voyant », avec une quantité importante de vapeur.

Aussi nous avons utilisé un projecteur de fumée. La colonne d’air

ascendant est alors bien plus visible et nous avons pu expérimenter à nouveau.

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Malheureusement, le sèche cheveux souffle décidément trop fort et nous n’observons pas d’enroulement… Mais, contre tout attente, celui-ci s’est produit à plusieurs reprises en travaillant avec les fenêtres du laboratoire ouvertes. Les conditions de naissance d’une tornade ne sont décidément pas facile à mettre en place ! .

Cela nous a permis de bien saisir à quel point la multitude des paramètres

agissant et leur imprévisibilité donnait un caractère aléatoire à ce phénomène atmosphérique incroyable. Nous avons décidé de travailler encore sur le vent cisaillant, car nous pensons que c’est lui qui est encore mal adapté à notre expérience et ses dimensions, forcément petites devant celles que peut prendre la nature.

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Conclusion

A travers ce projet, nous avons vécu une belle aventure scientifique

malgré les contraintes et les difficultés rencontrées. Suite à nos travaux, nous avons constaté que la recherche scientifique est

une démarche complexe mais passionnante. La complexité est due au fait qu’on doit tout démontrer et ne rien

admettre. La gestion de l’inattendu (les mauvaises surprises, les contraintes matérielles et techniques) prend parfois beaucoup de temps. Des sacrifices ont été nécessaires pour que notre travail aboutisse.

Notre démarche a été aussi passionnante car nous nous sommes faits

plaisir en apprenant et en découvrant des choses nouvelles autour d’un thème qui nous intéressait. Ce travail nous a permis aussi d’enrichir notre contact avec les professeurs.

Quand à notre sujet, les tornades font partie des catastrophes naturelles

qui font beaucoup de dégâts et qui occupent de plus en plus les écrans, l’actualité tragique de ces derniers jours en fait hélas la preuve. Beaucoup de travail de recherche reste à faire pour mieux comprendre et prévenir ce phénomène pour mieux lutter contre ses effets dévastateurs.

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Remerciements

Nous remercions Monsieur DUFFAIT : Professeur chercheur à L'Université Claude Bernard à Lyon pour sa disponibilité et sa gentillesse. Nous remercions également : Monsieur GIRAUD : Agent technique dans la cité scolaire ; Monsieur ERRAMI : professeur de sciences physiques au lycée professionnel J. Verne ; Monsieur MIALANE : professeur de sciences physiques au lycée R. Cassin.

Tornades très fréquentes toutes l’année Tornades assez nombreuses le printemps

Tornades rares uniquement au printemps Tornades quasi-inexistantes

Fréquence des tornades dans le monde