20141204

J’aimerais être un oiseau (1/2) : la montgolfière

© Garrett Heath

Faire voler du plus lourd que l’air, l’homme en fut incapable pendant des millénaires. Malgré l’exemple des oiseaux. Et puis, soudain, le mystère est percé. La montgolfière, puis l’avion, nous ouvrirent les portes du ciel.


Depuis que l’homme est homme, il n’a cessé de vouloir s’affranchir des contraintes imposées par la nature. Que ce soit en se dressant sur ses pattes arrière, en domestiquant le feu, les plantes, les animaux, la machine à vapeur ou encore les Pokémon.

Sans cesse il a exploré et conquis de nouveaux territoires, par la mer, par la route, par l’esprit. Mais, toujours, dans cette quête plurimillénaire, les airs l’ont nargué sans que jamais leur conquête ne semble envisageable. Et les oiseaux, eux, continuaient leur vol, libres et sans frontière, narguant nos anciens de leur projections cloaquales, histoire de bien leur mettre la fièvre (pendant des heures).

Ils furent nombreux, les arrogants de tout poil, à avoir minutieusement observé le colibri, la pintade, la libellule et le bourdon : affublés de structures d’osiers ou de bambous, couvertes de papier ou de tissu, pendant des décennies ils s’élancèrent du haut de tours, de ponts, de collines. Avec le succès qu’on connait. Certains eurent le privilège de faire quelques mètres en planant. Les autres, nombreux, se blessèrent dangereusement, voire succombèrent, échappant ainsi au ridicule (qui pourtant, lui, ne tue pas). Les oiseaux étaient toujours les maîtres des airs, et les Shadoks pompaient.

 

UNE EXPERIENCE GONFLEE

 

Vole, vole, petite montgolfière, vole...

Vole, vole, petite montgolfière, vole…

La première incursion dans l’atmosphère de personnes vivantes et en bonne santé remonte au premier vol organisé par les frères Montgolfier. Pas complètement fous, ils ont trouvé trois potes un peu barges prêts à prendre le risque à leur place : Jean-Baptiste Réveillon, Jean-François Pilâtre de Rozier et Giroud de Villette.  Pas complètement sereins non plus, les mecs, ce 19 octobre 1783 : dans la cour de la rue de Montreuil où se déroule l’essai, on décide d’attacher le ballon pour ne pas qu’on les retrouve en banlieue après une journée de vol aléatoire (Giroud de Villette était parait-il paniqué à l’idée de devoir prendre le RER B pour rentrer).

Ces pionniers suivaient de prêt le premier vol expérimental du ballon, le 4 juin, et le premier vol avec passagers, le 19 septembre. Ce dernier eut lieu devant Louis XVI, rien que ça. Et les illustres passagers ayant eu cet honneur furent un canard, un mouton et un coq. L’histoire ne dit pas si ça s’est terminé en méchoui historique.

Ces premiers vols s’appuyaient sur une connaissance purement expérimentale, venant probablement des lanternes chinoises. Leur principe fut en effet réutilisé au début du XVIIIème siècle par le prêtre brésilien Gusmao, qui fit voler de petits ballons à air chaud en 1709. Mais la compréhension théorique était quasi inexistante et il faudra plus d’un an après le vol des Montgolfier pour qu’on comprenne vraiment la magie du vol des ballons. Pourtant cela s’appuie sur deux concepts dont l’un est connu depuis très longtemps : la poussée d’Archimède. L’autre, assez nouveau, est la dilatation des gaz.

LE CANARD D’ARCHIMEDE

Archimède, c’est le vieux barbu qui sort de son bain à poil dans la rue en criant Eurêka. D’après Desproges, le principe d’Archimède stipule que lorsque l’on plonge un corps dans la baignoire le téléphone sonne… Ce qui est vrai mais ne permet malheureusement pas de faire voler une montgolfière.

En réalité, le vieux barbu a simplement été le premier à comprendre l’équilibre des forces dans un fluide. L’anecdote est rigolote : le roi de Syracuse dont il était le sujet, Hiéron II, avait un peu les glandes après avoir dépensé un sacré paquet d’oseille pour une couronne en or massif.

La raison de son angoisse, c’est que non seulement le renvoi n’était pas gratuit, mais qu’il n’avait aucune garantie satisfaction consommateur : et si la couronne n’était pas vraiment en or massif ? Genre un plaqué or tout pourrave acheté sous le manteau aux puces de Saint-Ouen ?

C’était important de savoir parce qu’il avait lui-même fourni l’or à l’orfèvre : si la couronne finale pesait bien le même poids que l’or fourni, qu’est ce qui prouvait que l’orfèvre n’avait pas subtilisé une partie de l’or, en le remplaçant par une quantité d’argent de même poids ? Et comment le vérifier sans défoncer la couronne en petits morceaux ?

Connaissant la perspicacité d’Archimède, le roi était allé le trouver alors que celui-ci se faisait couler un bain. « Trop stylé la mousse au jojoba et le bateau playmobil » se serait écrié le roi à la vue des préparatifs d’Archimède qui se trouvait déjà en pagne. « Faites vite, ça refroidit », se serait quant à lui exprimé le vénérable, le visage impassible. Le roi lui aurait alors soumis son problème : comment savoir si je ne me suis pas fait rouler avec cette couronne soi-disant en or massif ?

Vingt minutes plus tard, c’est en jouant avec son canard jaune qu’Archimède aurait trouvé la solution. Il faudrait pouvoir comparer les poids en même temps que les volumes. Car l’argent n’a pas la même masse volumique que l’or : pour un même poids, il ne prend pas la même place.

Mais comment calculer le volume de la couronne et le comparer proprement à un lingot pas super régulier non plus ? Eh bien exactement comme le canard en bois (pas encore en plastique à l’époque) qu’il s’amuse à faire couler entre les bulles : lorsqu’il plonge un solide dans l’eau, il s’aperçoit que le volume de la baignoire monte et que son lourd canard en chêne semble plus léger. Et il est sûr que la variation de poids correspond au volume du canard.

Autrement dit : on n’a qu’à plonger la couronne dans l’eau ainsi que le lingot et voir s’ils ressentent la même poussée d’Archimède, c’est-à-dire s’ils ont le même volume. Et paf, si ce n’est pas le cas, on peut envoyer l’orfèvre au pal. Sur ce, Archimède décide de l’annoncer au roi séance tenante, ne portant sur lui qu’un peu de mousse de jojoba ainsi que son fidèle canard. Bizarrement l’histoire oubliera ce dernier détail.

A partir de là, il n’y a pas encore d’application possible de type montgolfière. Même d’une montgolfière en forme de canard. Mais cela ne saurait tarder une fois qu’on éclaircit déjà la notion de force et d’équilibre pour démystifier un peu cette poussée magique.

Un fluide est une chose qui prend la forme de son contenant : il s’agit des liquides et des gaz. Imaginez un fluide au repos. C’est-à-dire qu’il est peinard en vacances sur un transat avec une pina colada, donc qu’il ne bouge pas dans tous les sens : tout va bien, ses chakras sont ouverts et son karma cosmique est au beau fixe. C’est l’équilibre à l’intérieur. La température est homogène, il n’y a pas de vagues, tout ça. Eh bien dans ce fluide au repos, il existe des forces, mais qui s’équilibrent.

Tiens, mais qu'est-ce que j'ai fait de mon canard?

Tiens, mais qu’est-ce que j’ai fait de mon canard?

LE PRINCIPE D’ARCHIMEDE

Eh oui le fluide a un poids. Il y a donc au moins une force. Mais comme rien ne bouge, c’est qu’elle est équilibrée. L’eau qui est dans votre baignoire a un certain poids : l’eau qui est à la surface appuie donc sur l’eau qui est en dessous. C’est même ça qui fait la pression.

Par exemple à plusieurs mètres sous l’eau vous sentez bien la pression de toute l’eau que vous avez au-dessus. Si rien ne bouge et que tout est à l’équilibre, c’est que l’eau qui est en dessous « appuie » aussi sur l’eau de la surface, en réaction, comme lorsque vous virez la première dame : elle écrit un livre en réaction.

Rien de magique là-dedans : imaginez que vous enfoncez votre pouce dans un pot de pâte à modeler, cela va faire remonter la pâte sur les côtés. Eh bien si la petite partie d’eau qui appuie veut pouvoir se déplacer vers le bas, comme votre pouce, il faut qu’elle fasse remonter l’eau qui est en dessous vers les côtés.

Cette eau, évidemment, ne veut pas remonter, à cause de son poids justement (comment elle casse l’ambiance !) et donc elle se pose en réaction. Elle boude. Il y a donc, pour chaque petite partie de flotte dans la baignoire, qui a un poids et qui pèse vers le bas, une réaction de son environnement dans l’autre sens.  Et hop, comme ça personne ne bouge.

Si soudain vous vous emmerdez à contempler cet immobilisme parfait, il peut vous prendre l’envie de remplacer une partie du fluide par autre chose. Par exemple votre voisin qui joue de la trompette… L’eau, dont le QI est très proche de l’huître, ce qui explique qu’ils traînent si souvent ensemble (on parle de l’eau et de l’huître), ne s’est pas rendu compte de cette interversion.

Elle continue bêtement à appliquer la même force qu’avant à l’endroit où se situe maintenant la terreur des tympans. Il y a alors trois possibilités : soit votre trompettiste a exactement le même poids que l’eau qu’il a remplacé : alors il ne se passera rien. L’eau environnante continue de toute façon d’exercer la même force de réaction, et les deux s’équilibreront.

Soit votre trompettiste est plus lourd que l’eau qu’il remplace. Alors la réaction de l’eau environnante ne sera plus suffisante pour équilibrer son poids, et il sombrera bêtement. Soit, dernière option, il est plus léger que l’eau qu’il remplace, et alors la réaction de l’eau environnante sera plus élevée que son poids, il va donc remonter vers la surface et vous rejouer son air préféré (d’où l’importance de prévoir quelques blocs de béton au cas où, pour s’assurer d’être dans le deuxième cas).

Voilà le principe d’Archimède : dans un fluide, vous subissez une force correspondant au poids du fluide déplacé. Donc si vous êtes moins dense que le fluide, vous allez flotter. A partir du moment où on a compris ça, on comprend que le but pour se maintenir à flot sur l’eau, ou pour s’élever dans les airs en ballon, c’est de déplacer un maximum de fluide, en ayant un poids le plus faible possible.

En fait c’est une histoire de caméléon et de plagiat. On vient dans un environnement peinard où tout est à l’équilibre et en harmonie, puis on en enlève une partie en se faisant passer pour elle. On profite ensuite de la force de l’environnement qui lui n’y a vu que du feu (eh oui la nature est aveugle). Sur l’eau, on remplace l’eau par de l’air (la coque des bateaux s’enfonce sous l’eau, donc la déplace, et contient principalement de l’air).

DE LA BAIGNOIRE AUX NUAGES

Et soudain l'homme vola... Enfin.

Et soudain l’homme vola… Enfin.

Pour monter dans les airs, en revanche, cela ne suffirait pas : remplacer de l’air par de l’air n’est pas, en soi, une révolution. Il faut donc ruser et trouver mieux que cela. Le problème, évidemment, c’est que l’air, ça n’est vraiment pas très lourd. Il faut que vous déplaciez un volume d’air total dont le poids est égal au poids de la nacelle, plus les passagers, plus la toile du ballon, plus le truc qu’on va mettre dans le ballon et qu’on n’a pas encore décidé.

En gros la masse volumique de l’air c’est 1 kilo et quelques par mètres cubes. Une montgolfière doit donc déplacer plusieurs centaines de mètres cubes si elle veut emporter plusieurs personnes. Sauf qu’en plus, ce qu’on met dans l’enveloppe du ballon ne peut pas n’avoir aucun poids. On peut choisir de mettre de l’hélium par exemple, car il est plus léger que l’air. Il ne pèse que 2 grammes par mètres cubes ! Mais ça n’est pas très pratique et un peu dangereux.

L’autre solution, c’est de chauffer l’air : l’air chaud prend plus de volume. C’est-à-dire que pour un même poids, l’air prend plus de place. Inversement, ça signifie également qu’un même volume est plus léger. On laisse donc le ballon ouvert en dessous, et on met un brûleur qu’on peut manipuler soi-même.

On remplit l’enveloppe d’air chaud, donc plus léger que l’air qu’il déplace. On crée ainsi une force vers le haut, la poussée d’Archimède. Quand il se refroidit on redescend. On peut donc entièrement gérer son altitude avec le brûleur. C’est génial ! En fait c’est comme si on modifiait le volume de notre trompettiste immergé de tout à l’heure, sans modifier son poids. On peut dire qu’une montgolfière flotte dans l’air.

Contrairement à l’eau en revanche, qui est incompressible (c’est-à-dire de densité constante), plus on s’élève et moins il y a d’air. Du coup, plus on monte, moins l’atmosphère est dense, c’est-à-dire moins l’air est lourd (il y a moins de poids d’air dans un mètre cube).

L’atmosphère est de plus en plus diffuse au fur et à mesure qu’on grimpe. Au bout d’un moment, le volume d’air que déplace le ballon n’est pas assez lourd pour pouvoir compenser le poids du ballon. On ne peut alors plus monter. C’est pour cette raison que Baumgartner, qui avait battu le record du plus haut saut en chute libre, avait pris un énorme ballon rempli d’hélium, beaucoup plus gros que ceux qui sont utilisé dans le tourisme. Arrivé à près de 40 km, il y avait tellement peu d’air que le ballon ne pouvait plus monter plus haut, il ne déplaçait plus assez d’air pour créer une force suffisante.

Le gros défaut d’un ballon, c’est qu’il n’est pas propulsé. Il faut donc compter sur les vents pour se déplacer, avec les mauvaises surprises que cela peut engendrer (« on est d’accord qu’on dérive vers l’océan ? Ah oui tu as raison Michel, je propose qu’on fasse une prière et un sacrifice humain »).

On verra dans la deuxième partie (à venir) que l’avion, lui, dépasse ce problème en proposant une propulsion à hélice ou à moteur. Avec le corollaire suivant : quand la propulsion ne marche plus, de combien de temps dispose Michel pour effectuer un ultime sacrifice de survie avant de devenir un pancake aux boulons ?

 

Image d’illustration © Garrett Heath