Le terme «ballon » ne s'appliquait au début qu'aux ballons «libres», de forme plus ou moins sphérique. Puis, il s'est transformé en divers types d'aérostats (tout appareil dont le maintien dans les airs est assuré par un gaz plus léger que l'air ambiant (ballon, dirigeable, etc.)) de formes différentes, destinés à l'observation de la haute atmosphère et près de la stratosphère.
De quoi se compose une montgolfière? Qui sont les frères Montgolfier ? Quel a été le déroulement des premières expérimentations ? Comment peut-elle décoller? Voilà quelques-unes des questions auxquelles nous tenterons de répondre.
Les composantes
Pour comprendre comment fonctionne une machine, il faut en connaître la structure. Voici donc les trois principaux éléments qui composent une montgolfière et quelques commentaires et indications pour mieux comprendre :
Premièrement : la nacelle
Elle est toujours construite en osier et son plancher est en bois. Ce gros panier arrive à la taille des voyageurs. Malgré l'apparition des nouveaux matériaux disponibles sur le marché, l'osier est encore le plus solide et le plus résistant. Les nouveaux matériaux, comme le contre-plaqué et l’aluminium, sont peut-être plus légers, mais aucun n’offre une résistance et une élasticité suffisantes pour amortir le choc de l'atterrissage ou s’il y en a, les prix sont faramineux. On fabrique, aujourd'hui, des nacelles pouvant accueillir plus de 50 personnes. En Europe, on trouve, en général, des nacelles pouvant contenir de 4 à 6 personnes. Les grosses nacelles (parfois à deux étages!) sont, en effet, réservées aux vastes espaces, notamment en Afrique. Elles contiennent les bonbonnes de propane et les divers instruments de vol, comme un thermomètre électrique, un altimètre et un variomètre (appareil indiquant la vitesse de l’ascension)…
Deuxièmement : le brûleur
Depuis l’invention du brûleur à propane, au début des années soixante, il n'a pas beaucoup évolué. Le principe est très simple: le propane contenu dans des bouteilles est sous pression donc liquide. Il passe dans un serpentin de vaporisation, dans lequel il est réchauffé et vaporisé. Il peut alors être brûlé. L'air de l'enveloppe est ainsi chauffé, jusqu'à une centaine de degrés, et le ballon devient donc plus léger que l'air. Le talent du pilote consiste à chauffer au bon moment. En effet, le brûleur n'est pas utilisé de manière continue, mais par à petits coups et le pilote doit anticiper le refroidissement du ballon, car l'action du brûleur n'est ressentie qu'une dizaine de secondes après son utilisation.
Troisièmement : l’enveloppe
Elle est fabriquée en nylon, car c’est un matériau résistant à de très hautes températures. De plus, il ne brûle pas au contact de la flamme du brûleur (il est quand même traité avec un produit ignifuge). Enduite d’une couche de polyuréthane, l’enveloppe devient hermétique. Il se peut que le nylon fonde localement, mais le feu ne se propagera jamais à toute l'enveloppe. Elle est reliée à la nacelle par des câbles en acier et doit être capable de résister aux variations de pression, car elle peut monter jusqu’à la stratosphère.
La forme de l'enveloppe est très semblable d'un ballon à l'autre. Certaines montgolfières publicitaires, toutefois, représentent des objets, mais on n'a pas le droit de transporter de passagers dedans, car elles sont trop instables.
Un autre élément essentiel est le gaz gonflant l’enveloppe. Le premier à avoir été utilisé est le dihydrogène. Vu que ce gaz est inflammable, l’hélium l’a remplacé. Cependant, séparer ce gaz de l’air est coûteux. Donc, l’air chaud est maintenant utilisé, s’étant avéré plus économique.
Les frères Montgolfier et leurs premières expériences
Joseph Montgolfier était un Français, producteur de papier en Annonay. Il est né en 1740 et avait une véritable passion pour les nouvelles machines. Lui et son frère cadet, Étienne, avaient souvent rêvé de construire une machine qui ferait voler l’homme. Ils avaient même déjà imaginé capturer les nuages dans une espèce d'enveloppe et d'y suspendre un panier! Cependant, ils ne savaient pas comment réaliser cette idée. Ainsi, quand Joseph parvint à gonfler sa chemise en la tenant par le col au-dessus du feu dans sa cheminée, il sut immédiatement qu'il venait d'avoir une idée de génie. Il comprit que, l'air chaud étant plus léger que l'air froid, il pouvait, de cette manière, soulever quelque chose de lourd. Il fit part de sa découverte à Étienne et tous deux commencèrent à imaginer la forme qu'ils pourraient utiliser pour construire un ballon pour leurs premières expériences. Pour commencer, ils choisirent un globe d'un mètre cube, en soie. Ils le chauffèrent au-dessus d'un feu, et il décolla d'une trentaine de mètres. Ces événements eurent lieu en novembre 1782. On peut les considérer comme étant la naissance de la théorie de l’équilibre des gaz : l'aérostatique.
En décembre, ils poursuivirent leurs expériences avec un ballon de 3 m3, puis en avril 1783 avec un ballon de 800 m3 qui s'éleva à 400 m d'altitude. Jusque-là, ils avaient travaillé secrètement dans leur jardin, mais, à mesure que l'altitude des vols augmentait, ils avaient peur que leurs voisins découvrent leurs expériences et qu'ils leur volent l'idée. Ils décidèrent donc d'organiser une envolée publique sur la place principale d'Annonay, devant des gens dignes de confiance qui pourraient leur servir de témoins pour certifier que les Montgolfier étaient bien à l'origine de l'idée. Ils construisirent un ballon de 900 m3 dont l'enveloppe était faite de coton cousu sur du papier. Le 4 juin, ils l'attachèrent à deux mats ainsi qu’au sol, et y suspendirent une nacelle remplie de paille et de laine. Quand l’air fut assez chaud pour soulever le ballon, ils coupèrent les cordes et le ballon s'envola, montant jusqu'à 10 000 m d’altitude. Une fois l’air refroidi, environ dix minutes plus tard, il atterrit dans un champ et commença à brûler à cause du petit brasier qui restait dans la nacelle. Malheureusement, les paysans qui travaillaient dans ce champ furent effrayés par cet étrange engin venu du ciel, et ils ne firent donc rien pour éteindre le feu. Par conséquent, le prototype fut entièrement détruit. Toutefois, les témoins du vol certifièrent son authenticité, et les frères Montgolfier purent écrire à « l'Académie des Sciences » pour qu’elle reconnaisse leur invention.
Comment peut-elle décoller?
En premier, il faut gonfler la montgolfière. Pendant que deux personnes tiennent la bouche du ballon, on le remplit avec l’air ambiant à l’aide d’un puissant ventilateur. Puis on chauffe l’air; il suffit de 20 secondes pour que le ballon se redresse. Le ballon s’élève parce que la densité de l’air chaud dans le ballon est plus faible que celle de l’air froid à l’extérieur. Si la poussée vers le haut est égale au poids du ballon (enveloppe, nacelle et air intérieur), le ballon reste stationnaire; si la poussée est supérieure, le ballon monte; si elle est inférieure, le ballon descend. Donc, en se dilatant, l’air gonfle le ballon et sa masse volumique diminue. Résultat : le ballon monte! La force ascensionnelle, ou portance, est la différence entre la poussée vers le haut (poussée d'Archimède) et le poids de l'air dans le ballon; cette force doit être suffisante pour soulever l'enveloppe, la nacelle et les passagers. Elle dépend de la différence entre les températures de l'air dans le ballon et de l'air extérieur. Pour ce qui est de l’atterrissage, le pilote ouvre la soupape ou « panneau de déchirure » en même temps que la nacelle touche le sol. Le vent pousse sur l’enveloppe, la dégonflant rapidement. Depuis 1977, il existe même des montgolfières à infrarouge (MIR) qui captent le rayonnement infrarouge du sol et des nuages pour obtenir l'énergie nécessaire pour chauffer l'air du ballon!
Tout au long de ce travail, nous avons porté notre attention sur les composants de la montgolfière (la nacelle, le brûleur, l’enveloppe), les premières expériences effectuées avec celle-ci par ses inventeurs et les différents principes reliés à cette invention (concepts théoriques liés au décollage). Grâce à nos explications détaillées, nous espérons que vous en connaissez davantage sur ce sujet. Bravo aux frères Montgolfier!
Bibliographie
BENSOUSSAN, Isaac. Chimie 534, Réactions, Anjou, Les éditions CEC inc., 2000, 286 p. (1998). «Histoire des sciences - L'invention de la montgolfière». Sciences & Vie, encyclopédie multimédia [CD-ROM]. Paris, Excelsior Publications - Montparnasse multimedia - Radio France, 1999. Daniel Chrétien. (Page consultée le 1er avril 2002). Machines volantes et fous du ciel, [En ligne]. Adresse URL: http://www.cybersciences.com/cyber/4.0/2001/06/aero%5Fpatrimoine.asp Raynald Pepin. (Page consultée le 1er avril 2002). La dimension cachée - Barbecues volants, [En ligne]. Adresse URL: http://www.cybersciences.com/cyber/4.0/sept97/cache.htm Ville de Annonay. (Page consultée le 1er avril 2002). Annonay, berceau de l'aérostation : Histoire des montgolfières et de Joseph et Etienne de Montgolfier, [En ligne]. Adresse URL: http://mairie-annonay.fr/accueil-sommaire/framesetacc/mongolfieres-h-fs.html Webencyclo des Éditions Atlas. (Page consultée le 1er avril 2002). Webencyclo - articles - Montgolfier les frères, [En ligne]. Adresse URL: http://www.webencyclo.com/articles/articles.asp?IDDoc=00001aea
Recherche : Jean-Pierre Bolduc et Amélie Rodrique, École Jésus-Marie, Beauceville (Québec), CANADA.
Validation du contenu : Jean-François Jolicoeur
Révision linguistique : Jean-François Jolicoeur
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