Bac Physique-Chimie · Amérique du Sud 2025 · Jour 2 · Réf. 25-PYCJ2AS1

Exercice 3 — Cargo dirigeable

Gaz parfait (hélium), poussée d'Archimède, lois de Newton, puis chargement en vol : Bernoulli et vidange.
5 points · 9 questions · Exercice 3 / 3

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Exercice 3 — Cargo dirigeable (5 points)

Un ballon cargo dirigeable (« grue volante ») rempli d'un gaz porteur moins dense que l'air. On vérifie (1) la charge maximale embarquable, puis (2) un système de chargement en vol stationnaire par transfert d'eau.

Caractéristiques : volume V = 180 000 m³ ; masse à vide m_d = 65 tonnes.

Partie 1 — Charge maximale

Données : M(He) = 4,0 g·mol⁻¹ ; R = 8,314 J·K⁻¹·mol⁻¹ ; T(K) = θ(°C) + 273 ; 1,0 bar = 1,0×10⁵ Pa ; g = 9,8 m·s⁻². Hélium (gaz parfait) : P = 1,1 bar, θ = 25 °C. Masse volumique de l'air : donnée par la figure 1 en fonction de l'altitude (ρ(0) ≈ 1,22 ; ρ(3000 m) ≈ 0,87 kg·m⁻³).

Q1. Montrer m_He ≈ 32 tonnes. Q2. Choisir l'expression vectorielle de la poussée d'Archimède. Q3. Poussée d'Archimède à 3000 m. Q4. Évolution de la force avec l'altitude. Q5. Loi de Newton : relation entre poids et poussée (altitude et vitesse constantes). Q6. Vérifier charge max ≈ 60 tonnes à 3000 m.

Partie 2 — Chargement d'un tronc

Pour embarquer une charge en vol stationnaire, le dirigeable vide une masse d'eau égale à la masse de la charge.

A ×réservoir (d_A=3,0 m) conduite (d_B=15 cm) × B H=30 m
Réservoir cylindrique (A, en haut, d_A = 3,0 m) vidangé par une conduite (B, en bas, d_B = 15 cm). Dénivelé H = 30 m entre A et B.

Données : d_A = 3,0 m ; d_B = 15 cm ; ρ_eau = 1000 kg·m⁻³ ; H = 30 m ; Bernoulli : P + ½ρv² + ρgz = cte ; débit D_V = v·S ; m_bois = 8 tonnes.

Q7. Montrer que v_A est négligeable devant v_B (conservation du débit). Q8. Montrer v_B = √(2·g·H) (Bernoulli). Q9. Durée minimale de vidange pour charger 8 tonnes de bois. Commenter.
📖Le contexte (énoncé)
📋 ÉNONCÉ (mot pour mot)
On étudie un cargo dirigeable« Grue volante » remplie d'hélium (moins dense que l'air). V = 180 000 m³, masse à vide 65 t. On vérifie la charge max et un chargement en vol par transfert d'eau. : d'abord la charge maximale qu'il peut transporter (gaz parfait, poussée d'Archimède, lois de Newton), puis un système de chargement en vol stationnaire par vidange d'eau (relation de Bernoulli).
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