Le 14 octobre 2012, Felix Baumgartner est devenu le premier homme à monter à près de 40 000 mètres d’altitude et à sauter pour revenir sur Terre après une chute libre suivie par une descente en parachute. Derrière l’exploit sportif, que nous avons relaté en détail, on trouve une jolie leçon de physique. En effet, l’expérience de Felix Baumgartner illustre de façon spectaculaire plusieurs phénomènes auxquels nous sommes soumis sans en avoir conscience: la gravité, la pression atmosphérique, la température de l’air au dessus de nos têtes ou la vitesse du son. En revanche, pour ce qui concerne le passage du mur du son avec une simple combinaison, le parachutisme autrichien est aujourd’hui le seul être humain à l’avoir expérimenté. Lorsqu’il se trouvait à 39 km d’altitude, quelles étaient les forces auxquelles il était soumis ? Comment ces forces ont évolué au cours de son saut ? Autant d’exercices de physique dont les professeurs vont maintenant pouvoir s’emparer. Leurs élèves, eux, devront se projeter vers le ciel, armés de quelques formules.

1°/ La gravité et le poids

La gravité est l’un des phénomènes les plus mystérieux de notre univers. Elle se traduit par une attraction exercée par une masse sur une autre. La Terre sur chacun de nous, par exemple. Mais aussi la Terre sur la Lune, le Soleil sur la Terre… Une attraction dont on cherche encore à préciser le support physique. Pour l’expliquer, Albert Einstein a dû imaginer une déformation de l’espace-temps… C’est dire ! Ce qui est certain, c’est qu’une force s’exerce sur une masse lorsqu’elle se trouve au voisinage d’une autre. Plus la masse d’un objet est importante, plus l’attraction qu’elle exerce sur une autre masse est grande. C’est pour cette raison que les verres tombent par terre et non l’inverse… Mais aussi que la gravité sur la Lune, est très inférieure à celle qui règne sur Terre. Là bas, elle n’atteint que 1,6 m/s2, soit 16,7% de celle qui règne sur Terre. Par ailleurs, plus les verres tombent de haut, plus ils ont le temps d’accélérer et plus leur vitesse au moment de l’impact est grande. Et plus ils risquent de se casser. C’est pour cette raison qu’il vaut mieux tomber du premier étage d’un immeuble que du 6e.

Cette accélération d’une masse attirée par une autre, c’est justement cela, la gravité. Elle se mesure comme une accélération. A la surface de la Terre, cette accélération est égale à 9,81 m/s2, le fameux “g” que nous avons tous découvert à l’école. Appliquée à une masse, cette accélération lui donne… un poids.  Grâce à Newton et à sa pomme légendaire, nous savons que le poids est égal au produit de la masse par l’accélération due à la pesanteur, via la célèbre formule : P = mg. Dès que l’on quitte le plancher des vaches, les choses se compliquent.

C’est ainsi que nous retrouvons Felix Baumgartner, debout sur la petite marche accrochée à sa capsule. A 39 km de la surface de la Terre échappe-t-il à l’attraction terrestre, à la gravité ? Si c’était le cas, et s’il se trouvait vraiment dans l’espace, il ne serait simplement… pas tombé. Difficile, dans ce cas, de franchir le mur du son. En fait, il était encore beaucoup trop près de la Terre pour atteindre l’apesanteur que connaissent les locataires de la Station spatiale internationale qui croise à quelque 400 km d’altitude et qui équilibre la gravitation grâce à la force centrifuge engendrée par sa rotation autour de la Terre (*). Dix fois plus haut que Felix. Pour ce dernier, la perte de gravité est restée très limitée à environ 1,2%. S’il pèse 80 kg à la surface de la Terre, il en pesait encore environ 79 au bord de sa nacelle, juste avant de sauter.

2°/ La pression atmosphérique et la température

Si Felix Baumgartner est tombé au lieu de flotter, c’est donc à cause de la gravité. Mais pourquoi était revêtu de cette combinaison sous pression qui rendait ses gestes si difficiles. En raison de la différence de pression atmosphérique, bien entendu…

A la surface de la Terre, en plus de la gravité, nous subissons la pression exercée par l’atmosphère. Soit une épaisseur d’environ 100 km d’air au dessus de nos têtes… Cette pression diminue lorsque l’on s’éloigne de la Terre. Dans ce cas, l’impact de l’altitude du saut de Felix est loin d’être négligeable. Lors de sa montée, il a franchi environ 40% de l’épaisseur de l’atmosphère. Pourtant, la différence de pression extérieure était nettement inférieure à ces -40%. En effet, la densité de l’air n’est pas régulière lorsque l’on s’élève. Ainsi, elle n’atteignait plus qu’environ 1% de la densité sur Terre à 39 km d’altitude. Dès 5500 mètres d’altitude, la pression atmosphérique a déjà perdu 50% de sa valeur au niveau de la mer. Il n’en reste que 10% à 16 km d’altitude. Et la pression extérieure, elle aussi, était 100 fois plus faible que sur Terre lorsque Félix a ouvert l’écoutille de sa nacelle. Sans sa combinaison pressurisée, son corps se serait dilaté, presque comme on le voit au cinéma lorsqu’un astronaute perd cette protection dans l’espace.

Gravité similaire, densité de l’air et pression atmosphérique divisées par 100. Et la température ? On imagine un froid plus que polaire, spatial ! Grosse erreur. En fait, la température varie très fortement, dans les deux sens, lorsque l’on s’élève. Nous assimilons altitude et refroidissement parce que notre expérience est limitée aux plus hauts sommets des montagnes terriennes. Quelques milliers de mètres seulement. Dans cette zone, et jusqu’à environ 10 km (l’altitude des avions de ligne), la température baisse en effet régulièrement pour atteindre quelque -60°C. Elle se maintient ainsi jusqu’à 20 km et ensuite, elle commence à remonter. Aux environs de 45 km, elle est pratiquement revenue à 0°C et elle recommence à baisser à nouveau à partir de 50 km pour descendre jusqu’à -100°C à 80 km avant de remonter à partir de 90 km. A l’extérieur de l’atmosphère, au delà de 100 km d’altitude, la température devient très élevée (300 à 1600°C). Mais l’absence de molécules d’air, dans le vide, empêche cette chaleur se transmettre et de brûler les astronautes. Néanmoins, leur combinaison blanche reflète les rayons du soleil le plus possible. La température élevée à la sortie de l’atmosphère démontre la protection que cette dernière apporte à la Terre.

Revenons à Felix qui, lui, n’est pas allé jusqu’à l’espace. Il se trouve, en revanche, dans une situation idéale pour réaliser son exploit. Forte gravité et faible densité d’air. Sans ces conditions, il n’aurait jamais atteint la vitesse de 1342 km/h, ni franchi le mur du son.

3°/ La vitesse du son

Contrairement à la lumière qui est une onde électromagnétique, le son est une onde produite par la vibration mécanique du milieu dans lequel elle se propage. Pas de milieu, pas de son. Une règle que les réalisateurs de films se déroulant dans l’espace ont longtemps ignorée. Jusqu’à Stanley Kubrick et 2001, l’odyssée de l’espace. Si Felix avait eu un compagnon, et s’il avait pu se passer de sa combinaison, il n’aurait guère pu se faire entendre. Pas assez d’air à faire vibrer pour acheminer correctement le son de sa voix. En revanche, cette atmosphère raréfiée présente un avantage considérable pour la chute libre : elle ne freine pas, ou très peu, le corps de Felix. Au moins pendant les premières minutes de sa chute. C’est ainsi qu’il a pu accélérer jusqu’à dépasser la vitesse du son. Là où cela se complique, c’est que cette vitesse dépend… également de l’altitude. Plus précisément de la densité de l’air, de la pression et de la température. Comme nous l’avons déjà expliqué, à environ 30 km, la vitesse du son est de 1087 km/h, contre 1200 km/h au sol. En fait, Felix n’a pas fait de détail et battu la vitesse du son… même au niveau de la mer.

Avant son saut, la seule véritable question sans réponse concernait l’effet du passage du mur du son sur un homme sans autre protection qu’une combinaison. On a pu voir à quel point Felix était ballotté pendant la partie la plus rapide de sa chute. Les vibrations du passage du mur du son l’ont probablement déstabilisé. Il reconnaît lui-même qu’il a craint de perdre connaissance. Dès que l’air est devenu assez dense, sa chute s’est ralentie et il a pu reprendre le contrôle de son vol, en professionnel du parachutisme. Son arrivée au sol, sur ses deux jambes, a montré qu’il avait retrouvé tous ses moyens avant d’atterrir. Bel exploit. Et belle leçon de physique.

Michel Alberganti

Mise à jour : “et qui équilibre la gravitation grâce à la force centrifuge engendrée par sa rotation autour de la Terre” a été rajouté grâce à la remarque judicieuse de François Desvallées.

Felix Baumgartner a réussi son pari : franchir le mur du son en chute libre. Avec, pour seule protection, une combinaison d’astronaute. Il a même très largement dépassé son objectif en atteignant, selon Brian Utley, l’expert chargé de certifier la performance pour la Fédération Aéronautique Internationale. Il est en effet parvenu à la vitesse de 1342 km/h, alors que celle du son, à cette altitude, n’est “que” de 1087 km/h. Soit un dépassement de près de 25% de cette vitesse mythique qui faisait tant peur aux pilotes d’avion avant que Chuck Yeager ne la franchisse pour la première fois, le 14 octobre 1947.

65 ans après Chuck Yeager

Le 14 octobre ? C’est justement la date choisie par Félix Baumgartner pour tenter, une nouvelle fois, son exploit après plusieurs reports. Exactement 65 ans plus tard, il franchit, lui aussi, cette limite, mais grâce au seul poids de son corps et à l’attraction de la Terre.
La performance a duré 2 heures 21 pour la montée et à peine plus de 9 minutes pour la descente. La partie en chute libre, elle, n’a pas dépassé 4 minutes et 20 secondes, soit 16 secondes de moins que le record établi en 1960 par Joseph Kittinger, aujourd’hui ancien colonel de l’Air Force de 84 ans présent aux cotés de Felix Baumgartner pendant tout le projet et, bien entendu, lors de l’exploit auquel ont également assisté plus de 8 millions de personnes en direct sur Internet et certaines chaînes de télévision.

Trois records, un échec

L’autrichien de 43 ans, parachutiste professionnel, ancien militaire et spécialiste des sauts acrobatiques (tours, ponts, Christ de Rio de Janeiro…), a, finalement battu trois records du monde : le saut le plus haut (39 km d’altitude),  la plus longue chute libre (36,5 km) et, bien entendu, la vitesse la plus élevée atteinte par un homme sans l’aide d’une machine, 1342 km/h. Finalement, c’est sans doute à cause de sa vitesse que Felix Baumgartner a raté le quatrième record, celui de la durée de la chute libre.

300 personnes et des millions de dollars

Il reste que le parachutiste a atteint ses objectifs principaux. Après cinq ans d’attente. Son exploit a mobilisé une équipe de 300 personnes à Roswell, dont 70 ingénieurs, scientifiques et physiciens. Le tout financé par la marque de boisson Red Bull à coup de millions de dollars. Un ballon d’hélium coûte 200 000 dollars. La combinaison spéciale utilisée par Felix Baumgartner est revenue à 250 000 dollars. Le coût de la capsule n’est pas connu. L’ensemble était équipé de 15 appareils de capture d’images (vidéo et photo). Un documentaire produit par la BBC et National Geographic sera diffusé dans quelques semaines.

La nostalgie des astronautes

Le spectacle de Felix Baumgartner dans sa petite capsule nous a rappelé les images des années 1960, lorsque l’homme faisait ses premiers pas dans l’espace. Le minuscule vaisseau de Youri Gagarine. Les capsules Apollo… Jamais, les séjours des occupants de la Station spatiale internationale (ISS) n’ont engendré pareilles émotions. Les sondes spatiales et les robots martiens, quels que soient leurs exploits, ne provoqueront jamais, non plus, ce frisson particulier que l’on ressent lorsqu’un homme prend le risque de se lancer dans l’inconnu. Lorsqu’il saute dans le vide…

Tout le monde n’est pas Neil Armstrong

En ce 14 octobre 2012, Felix Baumgartner nous a offert un ersatz de cette émotion. Lorsqu’il a signalé, pouce levé, que tout était paré de son coté. Lorsqu’il a ouvert l’écoutille de sa nacelle et que sa cabine a été inondée de lumière. Lorsqu’il s’est péniblement levé de son siège pour, avec les gestes engourdis par sa combinaison compensant la très faible pression atmosphérique, faire les deux pas qui le séparaient de la petite marche au dessus du vide. 39 km de vide… Lorsqu’il se tenait là, agrippé à deux rampes, et qu’il tentait de dire, avec son fort accent allemand, quelques mots historiques… “Parfois, il faut monter vraiment haut pour savoir à quel point vous êtes petits”, a-t-il prononcé péniblement. Tout le monde n’est pas Neil Armstrong… Lorsqu’il s’est laissé tomber, enfin, et qu’il a aussitôt été comme aspiré par la Terre. Lorsqu’il s’est mis à tournoyer comme un corps abandonné, privé d’air pour planer. Lorsque l’on entendait son souffle pendant sa chute. Lorsqu’il s’est rétabli en atteignant les couches plus denses de l’atmosphère et a commencé une descente impeccable. Lorsque son parachute s’est ouvert et qu’il a atterri sur ses jambes, comme à l’entrainement. Une émotion, certes, mais pas vraiment de frisson.

Mur du son et combinaison

Il reste de Felix Baumgarnter a démontré l’absence d’impact du passage du mur du son sur un corps humain. Ce qui n’avait jamais été expérimenté. Avant son saut, on pouvait craindre des effets désagréables, voire graves, dus aux vibrations engendrées par le front d’ondes. Il semble que, sur la masse réduite d’un corps humain, cette barrière n’ait pas de conséquences néfastes. Il va de soi que la combinaison du parachutiste a joué un rôle essentiel de protection vis à vis des conditions extérieures, en particulier la faible pression atmosphérique, l’absence d’oxygène et la température très basse pendant la chute libre. C’est même la véritable justification scientifique de l’expérience. Grâce à Felix Baumgartner, l’équipement utilisé est validé pour une hauteur de chute de 39 km. Cela pourrait sauver la vie d’astronautes en perdition lors d’une rentrée en catastrophe dans l’atmosphère. Avant que leur vaisseau n’atteigne les couches les plus denses, ils pourraient être éjectés à cette altitude et retomber en parachute. Mais l’opération sera beaucoup plus délicate avec une capsule se déplaçant à grande vitesse qu’avec une nacelle de ballon presque immobile au moment du saut.

Michel Alberganti

Note: Le texte a été modifié en remplaçant “l’apesanteur” par “sa combinaison compensant la très faible pression atmosphérique extérieure” grâce aux commentaires de JeanBob et Jacques Ghémard.

Le dernier paragraphe a également été ajouté.

Suivez la tentative de franchissement du mur du son en chute libre par Felix Baumgartner en direct:

Les données de l’exploit:

Altitude du saut : 38,750 km
Vitesse à atteindre : 1087 km/h

Les images de la montée (captures d’écran):

Les épisodes précédents:

Périscope : Chute libre, OGM, Nobel…

Felix Baumgartner va tenter de franchir le mur du son en chute libre

Un homme en chute libre peut-il franchir le mur du son ?

Felix Baumgartner rêve de devenir le premier homme à franchir le mur du son. Jusqu’à présent, seuls les pilotes d’avions militaires y sont parvenus, à l’exception de ceux du Concorde dont les vols se sont arrêtés en 2003 et de Andy Green qui a atteint 1227.99 km/h le 15 octobre 1977. Mais tous ces pilotes étaient […]

Michel Alberganti

La date est fixée : cela doit se passer le lundi 8 octobre au dessus du Nouveau Mexique, un Etat du sud-ouest des Etats-Unis. Felix Baumgartner, 43 ans, va monter à l’altitude de 36,5 km dans une nacelle soulevée par un ballon d’hélium. Là, dans la stratosphère, équipé d’une combinaison de cosmonaute, il va plonger vers le sol pour tenter de franchir le mur du son en chute libre. Un exploit qu’aucun être humain n’a jamais réalisé. Que va-t-il se passer s’il atteint le vitesse de 1087 km/h, qui correspond à celle de la propagation du son à cette altitude ? Mystère… Certains craignent que les vaisseaux de son cerveau explosent. Que son sang se mette à bouillir. Que ses poumons se mettent à gonfler. Qu’il subisse une hémorragie des yeux… C’est dire si le suspense est à son comble…

Le 25 juillet 2012, Felix Baumgartner a déjà réalisé un saut de préparation à  une altitude de 29 km. Il avait programmé le saut du mur du son pour le mois d’août mais des problèmes techniques avec la nacelle l’ont retardé. La mission Red Bull Stratos est désormais fixée pour le lundi 8 octobre… Si la météo est favorable.

Michel Alberganti

Felix Baumgartner rêve de devenir le premier homme à franchir le mur du son. Jusqu’à présent, seuls les pilotes d’avions militaires y sont parvenus, à l’exception de ceux du Concorde dont les vols se sont arrêtés en 2003 et de Andy Green qui a atteint 1227.99 km/h le 15 octobre 1977. Mais tous ces pilotes étaient protégés par des avions ou des engins terrestres. Felix Baumgartner, lui, n’aura qu’une combinaison…
Il faut dire que cet Autrichien de 43 ans, parachutiste depuis l’âge de 16 ans, n’est pas un personnage ordinaire. Il a sauté en parachute depuis le Christ de Rio de Janeiro et, en 2007, depuis le 91ème étage de la plus haute tour du monde à l’époque, la Tapei 1001 de Taiwan. Quand on a sauté 2500 fois d’à peu près n’importe où, que faire de plus ? La réponse de Felix Baumgartner à cette question que peu de gens se posent est simple: franchir le mur du son… Tout seul, sans moteur, sans avion. C’est le défi qu’il s’est lancé avec l’équipe du projet Red Bull Stratos qui veut également  battre le record du monde l’altitude pour un saut en parachute. Un record établi le 16 août 1960 par Joseph Kittinger, un pilote de l’US Air Force, qui s’est élancé depuis une sorte de gondole tractée par des ballons gonflés à l’hélium à une altitude de 31,3 km. Ce record, établi en pleine guerre froide et course à l’espace avec les Russes, n’a jamais été battu depuis.

A 36,5 km du sol

Le 25 juillet 2012, équipé d’une combinaison de cosmonaute,  Felix Baumgartner a sauté depuis une altitude de 29 km au dessus de Roswell, célèbre pour ses OVNI depuis 1947. Au mois d’août, sans doute vers le 16…, il doit tenter un saut à 36,5 km d’altitude. Et battre ainsi le record de Joseph Kittinger qui n’est autre, à 83 ans, que son conseiller. Au delà de ce gain de 5 km d’altitude, c’est le passage du mur du son qui devrait donner sa principale originalité à cet exploit. Mais comme imaginer que Felix Baumgartner y parvienne alors qu’un parachutiste dépasse à peine les 200 km/h en chute libre ? Le mur du son, lui, ne peut être atteint qu’à environ 330 m/s ou 1200 km/h. Impossible, a priori…

Toute l’astuce : exploiter l’altitude

Toute l’astuce du parachutiste réside, justement, dans la prise d’altitude. A 36 km de la Terre, la gravité existe toujours mais les molécules d’air sont devenues beaucoup plus rares qu’au sol tandis que la température voisine les -40°C. La pression est tombée à 1% de sa valeur sur la surface de la Terre (0,9 kPa contre environ 100 kPa au sol, soit une atmosphère). La densité de l’air a également été divisée par 100. De plus, la vitesse du son a changé. Fonction de la pression, de la densité et de la température, elle est passée des 330 à 340 m/s au sol (suivant la température) à 302 m/s à 30 km d’altitude. Soit “seulement” 1087 km/h, un gain de 100 km/h par rapport au sol. C’est justement à cette altitude que Felix Baumgartner estime qu’il atteindra sa vitesse maximale après s’être élancé de 36,5 km. C’est à 30 km, après 6 km de descente, qu’il atteindra l’optimum entre la vitesse acquise et la résistance de l’air. Au delà, cette dernière commencera à le ralentir.

Si le parachutiste atteint ou dépasse cet objectif, 1087 km/ à 30 km d’altitude, il deviendra le premier être humain à franchir le mur du son. Que se passera-t-il alors ? Difficile à dire tant ce phénomène physique est complexe. On se souvient de l’angoisse des pilotes d’avion avant que cette frontière ne soit franchie. Après la seconde guerre mondiale, ils ont commencé à s’en approcher et ont ressenti les premiers effets du phénomène: instabilité, durcissement des commandes. La sensation d’une limite peut-être indépassable est à l’origine de l’expression “mur du son”. Pourtant, le 14 octobre 1947, Chuck Yeager réussit pour la première fois à franchir ce mur. Une aventure relatée remarquablement dans le film de Philip Kaufman “L’étoffe des héros” où Sam Shepard incarne Chuck Yeager.

Le mur du son désigne un moment particulier où la vitesse d’un objet dans l’atmosphère atteint la vitesse du son. Il se produit alors un phénomène de superposition des perturbations (ondes se propageant dans l’air) créées par l’objet qui engendre le fameux bang, ce bruit d’explosion qui accompagne le passage en régime sonique (vitesse égale à celle du son). La puissance de ce front d’ondes dépend de la forme et de la taille de l’objet qui le provoque. On peut se demander quel sera son impact sur la combinaison et sur l’organisme  de Felix Baumgartner. Risque-t-il un déchirement qui serait fatal ? Cela semble peu probable, encore en raison de la faible densité de l’air et de son faible poids. Néanmoins, de trop fortes perturbations pourraient le déstabiliser ce qui aurait également des conséquences graves. Tout dépendra donc de sa résistance physique et de sa technique. De ce coté, il semble difficile d’être plus aguerri que Felix Baumgartner. Il n’est donc pas impossible qu’il accroche ce nouvel exploit à son palmarès de performances toutes aussi spectaculaires qu’inutiles. Selon CBS, le mur du son et le record d’altitude pour un saut en parachute devrait lui coûter quelque 20 millions de dollars. On comprend la forte médiatisation qui accompagne le projet Red Bull Stratos.

Michel Alberganti