Chapitre 6 – Forces et équilibre | 2nde Bac Pro | Physique-Chimie | ⏱ 30 min
Dernière mise à jour : 15 août 2026, 13:30
Lors d'une fête de l'air, un public assiste à un baptême en montgolfière. Au petit matin, le pilote chauffe l'air de l'enveloppe avec le brûleur : la montgolfière décolle, puis monte. Quand il coupe le brûleur, le ballon se stabilise et reste un moment à altitude constante : il ne monte plus et ne descend plus. Un spectateur se demande comment un objet aussi lourd peut rester ainsi « suspendu » dans le ciel, immobile en hauteur.
À l'aide du Document 1, fais l'inventaire des forces qui s'exercent sur la montgolfière en palier. Pour chacune, indique quel objet (ou quoi) l'exerce.
Deux forces s'exercent sur la montgolfière :
• le poids \(\vec{P}\), exercé par la Terre, dirigé vers le bas ;
• la force ascensionnelle \(\vec{F}\), dirigée vers le haut (elle est due à l'air chaud de l'enveloppe, plus léger que l'air froid autour).
Sur le schéma du Document 1, identifie la direction et le sens des deux forces. Que remarques-tu sur leur direction ?
Les deux forces sont verticales : elles ont la même direction (même droite d'action). Le poids \(\vec{P}\) est dirigé vers le bas ; la force ascensionnelle \(\vec{F}\) est dirigée vers le haut. Elles sont donc de sens opposés.
Calcule le poids \(P\) de la montgolfière de masse \(m = 450\) kg, avec \(g = 9{,}81\) N/kg. Donne le résultat arrondi à l'unité.
\(P = m \times g = 450 \times 9{,}81 = 4\,414{,}5 \approx \mathbf{4\,415\ N}\).
La montgolfière est en altitude constante : elle est en équilibre. Rappelle la condition d'équilibre de deux forces, puis vérifie que les forces \(\vec{P}\) et \(\vec{F}\) la respectent.
Deux forces s'équilibrent si elles ont la même droite d'action, des sens opposés et la même valeur.
Ici : \(\vec{P}\) et \(\vec{F}\) sont toutes deux verticales (même droite d'action ✔), de sens opposés (✔). La montgolfière étant en équilibre, elles ont nécessairement la même valeur (✔). Les trois conditions sont remplies.
Déduis-en la valeur de la force ascensionnelle \(F\) lorsque le ballon est en palier. Explique pourquoi, sur le schéma, les deux flèches ont la même longueur.
À l'équilibre, la force ascensionnelle compense exactement le poids : \(F = P \approx \mathbf{4\,415\ N}\).
Comme la longueur d'une flèche est proportionnelle à la valeur de la force, deux forces de même valeur se représentent par deux flèches de même longueur — c'est pour cela qu'on les a dessinées identiques sur le schéma.
Le pilote rallume le brûleur : l'air chauffe et la force ascensionnelle augmente et devient \(F = 4\,800\) N (le poids restant à 4 415 N). La montgolfière est-elle encore en équilibre ? Que va-t-il se passer ?
Les deux forces n'ont plus la même valeur : \(F = 4\,800\ \text{N} > P = 4\,415\ \text{N}\). La condition d'équilibre n'est plus respectée. La force vers le haut l'emporte : la montgolfière monte.
À l'inverse, si le pilote ouvre la soupape pour laisser sortir de l'air chaud, \(F\) diminue, devient inférieure à \(P\), et le ballon descend.
Avant le décollage, deux passagers de plus (masse totale \(150\) kg) embarquent : la masse totale devient \(m = 600\) kg. Calcule le nouveau poids \(P\) (arrondi à l'unité). Le pilote devra-t-il chauffer plus ou moins fort pour rester en équilibre ?
\(P = 600 \times 9{,}81 = 5\,886 \approx \mathbf{5\,886\ N}\).
Le poids est plus grand qu'avant (4 415 N). Pour rester en équilibre, il faut une force ascensionnelle \(F = P = 5\,886\) N, donc plus grande : le pilote devra chauffer plus fort l'air de l'enveloppe.
Rédige une courte explication que tu pourrais donner au spectateur pour répondre à sa question : « comment une montgolfière peut-elle rester immobile en hauteur ? » Utilise les mots poids, force ascensionnelle et équilibre.
Une montgolfière subit son poids \(\vec{P}\), dirigé vers le bas (\(P = m \times g\)), et une force ascensionnelle \(\vec{F}\), dirigée vers le haut, due à l'air chaud plus léger.
Quand le ballon reste immobile en hauteur, il est en équilibre : ces deux forces sont sur la même droite verticale, de sens opposés et de même valeur. Elles se compensent exactement, donc le ballon ne monte ni ne descend.
Le pilote joue sur la force ascensionnelle (en chauffant plus ou moins) pour monter, descendre ou rester en palier.
La masse de la montgolfière (450 kg) est une propriété de l'objet : elle ne dépend pas de l'endroit. Le poids, lui, dépend de \(g\). Sur une planète où \(g = 3{,}7\) N/kg (comme Mars), quel serait le poids de cette montgolfière de 450 kg ? La masse change-t-elle ?
\(P = 450 \times 3{,}7 = \mathbf{1\,665\ N}\) (au lieu de 4 415 N sur Terre).
La masse ne change pas (toujours 450 kg) : c'est une propriété de l'objet. Seul le poids change selon l'endroit, car il dépend de la valeur de \(g\).
Réponse à la problématique : une montgolfière reste immobile en hauteur parce qu'elle est en équilibre : son poids \(\vec{P}\) (vers le bas) et la force ascensionnelle \(\vec{F}\) (vers le haut) sont sur la même droite verticale, de sens opposés et de même valeur. Les deux forces se compensent exactement, donc le ballon ne monte ni ne descend.
📚 Cette activité s'appuie sur la leçon Ch06 — Forces et équilibre.