La fusée à eau

Comme pour beaucoup d'autres activités, si l'animateur arrive un jour avec sa fusée et la fait partir devant les jeunes, il va susciter immédiatement l'envie pour certains de faire chacun leur fusée. Il faut donc qu'auparavant il ait constitué un stock de bouteilles (trois par fusée) et pas des bouteilles à eau - qui éclateraient dangereusement sous la pression de l'air mais des bouteilles «genre Coca» qui résistent à une pression de 9 bars. Il est intéressant de jouer d'abord à lancer des bouteilles toutes simples. Cela permet de voir l'utilité de l'ogive, des ailerons, de l'eau

Chacun construit sa fusée et la fait partir. Et ensuite? Ce qui se passera dépend du groupe d'enfants, de leur âge, des intérêts de chacun et aussi de l'enthousiasme de l'animateur, de sa capacité à proposer des projets alléchants: qui fera partir sa fusée le plus haut? le plus loin ?

• Et si on s'amusait. en mettant des ailerons de diverses formes (découpés dans une bouteille en plastique), à essayer de faire tourner la fusée sur elle-même au lieu de la voir partir tout droit ?
• Et si on remplaçait l'eau par du sable ?
• Et si on lui mettait un parachute pour qu'elle redescende en douceur ?

Le lanceur

Construction d'un lanceur simple, vite réalisé.

Matériel. Un bouchon de liège: une aiguille pour gonfler les ballons: une pompe à vélo avec raccord.

Fabrication
Le bouchon est taillé et poncé pour entrer en force dans le goulot de la bouteille, l'aiguille est enfoncée au centre du bouchon et le traverse. l'aiguille est raccordée à la pompe.

Lancement
Mettre de l’eau dans la fusée. La boucher avec le bouchon muni de l'aiguille. La poser sur un support légèrement surélevé (cageot, carton percé d'un trou pour laisser passer le raccord de la pompe). Raccorder à la pompe.

Pomper. Quand le bouchon ne résiste plus à la pression de l'air. la fusée part... en éjectant son eau et le pompeur risque fort d'être arrosé! Plus le bouchon est bien ajusté, plus il résiste à la pression de l’air, plus la fusée monte haut.

La sécurité
Le lancement ne doit se faire que dans certaines conditions. Il faut un terrain dégagé et être sûr que des enfants ne vont pas le traverser à l'improviste. Il faut chercher la direction du vent et disposer le lanceur afin que le vent ramène bien la fusée sur le terrain. Tous les participants se trouvent derrière le lanceur, à quelques mètres. Il faut de plus incliner très légèrement le support de la fusée pour qu'elle parte bien dans la direction opposée aux spectateurs.

La pompe
La pompe à vélo ordinaire est d'un usage peu commode. elle peut être remplacée par une pompe a pied, ou mieux, par une pompe à main pour VTT munie d'un manomètre permettant de contrôler la pression.

RÉFÉRENCES THÉORIQUES

L'énergie de la fusée à eau est fournie par l'air comprimé. On rajoute de l'eau pour que la masse éjectée soit plus grande.

Son principe. Le principe de propulsion est le même que pour toute fusée: conservation de la quantité de mouvement (voir encadré ci-dessous).
Sa particularité. On s'aperçoit que la fusée vole mieux (plus haut) si on ajoute de l'eau à l'air, l'énergie est fournie uniquement par l'air comprimé et la masse éjectée est principalement celle de l'eau en masse, celle de l'air est comparativement négligeable).

Avant de fixer les ailerons, on tente un lancement : ah, c'est dur de pomper ! Heureusement Roger (le gardien de la colo) sort de son atelier et nous prête son compresseur électrique : c'est plus facile !

Chaque enfant fait plusieurs essais : avec un peu, "moyen", beaucoup d'eau. On compare, on essaye de comprendre : la notion de poids pointe son nez. Une fois les ailerons fixés, les fusées vont plus droit : d'autres essais se mettent en place.

Midi: c'est le temps informel d'avant repas. Des enfants se promènent dans le parc, s'attroupent autour des «astronautes» et s'extasient.

Pour les héros du jour, c'est formidable et ils font des démonstrations. Et c'est là le moment le plus dur : les arracher à leur activité pour aller manger...

...En hôpital de jour

Le public: des enfants ayant des troubles psychiques, soignés dans un hôpital de jour. Pierre, psychomotricien, intervient de façon régulière, mais sur des temps courts, parfois dans des moments informels. Cette action s'inscrit dans la durée, sur plusieurs années.

Le jeu avec les fusées à eau concerne des enfants de 6 à 12 ans et fait partie maintenant de la culture du groupe, comme d'autres activités : les expériences passées s'accumulent et se transmettent. Les différentes catégories de personnel participent chacune à leur manière : les dames de service apportent des bouteilles vides, le factotum fournit des valves quand il en récupère, des spectateurs se mettent aux fenêtres quand une fusée réussit de beaux vols et que des exclamations attirent leur attention. Le souhait des soignants est de créer du lien social pour compléter les moments de relations privilégiées où en de nombreuses situations l'enfant est seul avec un adulte.

"Ça fait pschitt"
Cette activité, abandonnée pendant plusieurs semaines, peut resurgir à la demande d’un enfant : "On fait "péter" la bouteille?" ou d'un autre qui a suggéré : "Si on essayait ça..." ou bien parce que Pierre arrive sur le terrain de jeu avec sa bouteille et les trois mètres de tuyau cristal (de 7 mm de diamètre extérieur) équipé à une extrémité d'un bouchon de champagne qui s'adapte parfaitement au goulot de la bouteille. La pompe à main munie d'un manomètre qui permet d'augmenter la pression de l'air dans la bouteille "fascine" un peu les enfants : l'air, qu'on ne voit pas mais qu'on sent sur sa main ou sur sa joue, quand on joue avec la pompe, qui gonfle le pneu de vélo, ça les intéresse.

Mais ils ont une relation ambivalente avec cette pompe: elle leur fait un peu peur. Ils craignent que ça "pète". Quand l'enfant pompe, au début c'est facile mais cela devient de plus en plus dur : l'aiguiller du manomètre visualise son effort. Les enfants font la relation entre leur taille, leur poids et leur possibilité de faire monter l'aiguiller à 2, 3 ou même 4 bars.

Ils sont sensibles aux sons. Au début, ils disent: "Ça pète" Puis après: "Ça fait pschitt." Ils ont une lecture d'observation fine; ils savent que plus ils pompent, plus ça va haut. Et ils savent déclencher le départ; quand ça commence à être dur de pomper, ils pompent un grand coup de façon désordonnée.

Ce qui leur plaît, c'est que la fusée monte très haut et ils la lancent verticalement. Il faut veiller à la sécurité et les sensibiliser aux dangers. Par exemple, constater que tel passager peut être dangereux en regardant le trou qu'il a fait dans le sol en retombant.

Dans une première étape, ils jouent avec de l'air seulement dans la bouteille. Ils sont intrigués, après plusieurs lancers de voir de la fumée : c'est de la vapeur d'eau dans la bouteille.

Dans une deuxième étape, en mettant de l'eau, ils constatent qu'elle va plus haut. Alors cela déclenche l'envie de mettre des choses dedans. Ils essaient avec tout ce qu'ils trouvent : du sable, de la terre, de l'herbe, de la ficelle, des rubans, du papier...

Dans une troisième étape, ils posent quelque chose sur le fond de la bouteille... et ils constatent que cet objet monte plus haut que la fusée. Alors ils font de multiples essais et empilent toutes sortes de choses. C'est une vraie joie de voir un petit personnage Play-mobil® s'envoler dans le ciel ! Il arrive aussi qu'ils mettent beaucoup de cailloux pour voir si la fusée pourra encore partir.

Deux moments particulièrement intéressants

Nous sommes en automne. Quelques enfants s'installent dans un bac à sable, sous un érable, pour jouer avec leurs 5 fusées. Surprise : une fusée tape dans une branche et provoque la chute d'une profusion de graines d'érable (les "hélicoptères") qui se mettent à tournoyer dans l'air. .. Une fillette de sept ans, autiste, qui commence à accéder au langage, apparemment en dehors du groupe, voyant ce spectacle, cherche une bouteille, met rapidement cinq à six poignées de sable dedans, coince bien le bouchon, fait une petite pyramide de sable autour de la fusée pour la faire tenir debout et s'adresse à un gros costaud de plus de douze ans, autiste également, pour lui demander de pomper. La fusée part, cogne une branche et une multitude de graines d'érable se mettent à tournoyer dans le soleil, alors que les autres enfants sont déjà partis parce que c’est l'heure du repas.

Comme par hasard, Pierre avait remarqué que ces deux enfants aimaient à regarder les poussières évoluer dans un rayon de soleil...

Nous sommes au printemps

Une enfant psychotique et «infirme moteur cérébral» en position marginale par rapport au groupe puisqu'elle se déplace très difficilement est assise dans l'herbe au milieu des pâquerettes pendant qu'un groupe d'enfants joue avec les fusées sur le goudron. Une bouteille tombe à côté d'elle, elle la récupère et la remplit minutieusement de pâquerettes. Quand la fusée est pleine, elle appelle un enfant pour qu'il la mette en position de départ et elle s'empare de la pompe qu'elle active énergiquement. Cette enfant, qui peut difficilement utiliser ses jambes, utilise beaucoup ses bras pour prendre appui dans ses déplacements et ils ont acquis une force au-dessus de la moyenne. elle atteint ainsi une pression de 4 bars, que les autres enfants atteignent rarement. Ceci lui donne un «pouvoir» sur les autres. La fusée part et les pâquerettes offrent aux enfants un spectacle merveilleux : à la sortie de la fusée, les pâquerettes sont complètement effeuillées et les pétales voltigent dans l'air pendant que les cœurs tombent à la verticale. Au sol, un superbe tableau s'offre aux regards : les cœurs remplissent un cercle et les pétales sont éparpillés tout autour.

Un autre enfant a voulu refaire immédiatement cette expérience : vite il a arraché des pâquerettes et les a entassées dans la fusée. Quand il a fait partir la fusée, rien n'est sorti, tout était bourré et coincé à l'intérieur !!! Il a dû réfléchir, regarder et comprendre ce qui s'était passé avant de pouvoir recommencer une expérience réussie.

Au cours de cette activité, ces enfants très handicapés montrent leurs capacités d'observation et de réflexion. Ils prouvent qu'ils sont capables d'établir des relations de cause à effet.

Ils éprouvent des émotions qu'ils partagent dans le groupe. Ils vérifient qu'un objet qui s'éloigne et disparaît, peut revenir, ce qui n'est pas anodin par rapport aux angoisses qui les font souffrir ■

La fusée à eau et les animateurs

Par Lucie Varier

Voici un exemple d'expérience menée dans un stage.

Les passagers - On appelle ainsi les objets qu'on pose sur la fusée pour qu'ils partent avec elle, On constate qu'à un moment donné les passagers se désolidarisent de la fusée, continuent à monter et retombent après la fusée.

Question - Quel paramètre intervient dans la hauteur atteinte par le passager ?

Nous supposons que c'est la masse et nous lestons des balles de ping-pong en introduisant du sable par un petit trou fermé ensuite par un scotch. Nous lestons quatre balles à 7 g, 12 g. 17 g et 22 g (il est donc nécessaire d'avoir une balance pèse-lettre).

Nous commençons par les lancer successivement. Les difficultés rencontrées pour voir les balles et observer leur montée nous conduisent à limiter la poussée en ne mettant que de l'air dans la fusée... et nous constatons que c'est la balle la plus lourde qui monte le plus haut !

Il est sûr que la masse du passager intervient dans la hauteur qu'il atteint ! Nous nous amusons à lancer deux, puis trois, puis quatre balles ensemble : elles tiennent bien, posées dans les creux du relief du fond de la bouteille. C'est intéressant, car nous voyons bien les différentes hauteurs atteintes par les balles : c'est un vrai feu d'artifice !

Avec des boules de cotillon de différentes couleurs et de différentes masses, ce serait un spectacle garanti !

Nous n'avons pas eu le temps de continuer nos expériences pour savoir jusqu'à quel seuil maximum  d'augmentation de la masse il y a augmentation de la hauteur.

À vous de jouer ! ■

C 'est le principe de conservation de la quantité de mouvement qui permet la propulsion.

Si la fusée éjecte une masse m₁, à une vitesse v₁, la fusée, de masse m₂ se déplace en sens inverse à une vitesse v₂, telle que :

m₁v₁=m₂v₂

Si, dans un intervalle de temps de une seconde, on augmente soit la masse éjectée, soit la vitesse d'éjection, soit les deux, la vitesse de la fusée augmente pour garder l'égalité (m₁v₁=m₂v₂ ).
D'autre part il faut voir une particularité des fusées qui est que la masse éjectée par seconde est autant de masse qui est soustraite à la fusée, et que la fusée n'est qu'un grand réservoir qui se vide (donc s'allège) entre le début et la fin du vol propulsé.

La relation de conservation de quantité d’énergie est une relation qui lie la fusée à la masse qu'elle éjecte, indépendante du milieu ambiant. elle peut donc se propulser dans le vide et indépendamment du milieu ambiant; Cette possibilité n'a pas toujours été évidente, même pour les savants. Robert Esnault Pelterie, pionnier de l'aviation et de l'astronautique (1881-1957) fit scandale devant la société Française de Physique en déclarant que c'était possible.

Exemples pour montrer le principe de conservation de la quantité de mouvement

- Un patineur (sur la glace pour qu'il n'y ait pas de frein) qui projette sa partenaire, est propulsé en sens opposé.
- Expérience avec un petit train. Mettre un wagon sur rail, l'équiper d'un système pour lancer dans l'axe du rail une masse que l'on peut peser et changer facilement : par exemple des billes lancées par un élastique ■

Remarque

Pourquoi la fusée vole-t-elle mieux quand on rajoute de I 'eau ?

Quand on rajoute de l'eau on augmente la masse éjectée MAIS :

• On diminue la vitesse d'éjection.
• On augmente la masse totale de la fusée au décollage et on sait que l'accélération est inversement proportionnelle à sa masse.
• On diminue la quantité d'air donc la quantité d'énergie totale disponible au décollage (qui est égale au produit de la pression par le volume d'air).

A déterminer par des essais

Quelle est, pour une pression donnée, la meilleure proportion d'eau et d’air ?

Cette proportion est-elle différente pour différentes pressions ?

Cet article a été publié dans la revue Les cahiers de l'animation Vacances Loisirs