Structures contre les intempéries extrêmes

Engineering
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Créé par
Let's Talk Science National Office
Langue de l'activité
Anglais
Français
Niveau
De la 4e à la 6e année du primaire
Durée de l'activité
De 1 à 2 heures
Sujets
Sciences de la terre et de l’environnement,  Ingénierie,  Physiques
Convient à un kiosque d’activités

Conçois et construis une structure qui protège des figurines d’un ouragan.

Les changements climatiques peuvent rendre les conditions météorologiques extrêmes et plus intenses, endommageant les infrastructures et mettant la vie de davantage de personnes en danger. 

Ce dont tu as besoin

  • 2 petites figurines mesurant environ 5 cm ou 2 po de haut (p. ex. des personnages LEGO® ou Playmobil®)
  • Un bout de ficelle d’une longueur de 50 cm ou environ 18 po de long
  • 6 bâtonnets de popsicle ou bâtonnets de bricolage
  • Une demi-pièce de papier de format lettre 8,5 po x 5,5 po ou 27,9 cm x 10,8 cm
  • 1 morceau d’adhésif réutilisable (p. ex. Sticky Tack ou Blu Tack), de la taille d’un ongle
  • 1 morceau de carton
  • Des ciseaux
  • 1 ventilateur électrique
  • Un outil pour écrire (crayon, stylo) pour le dessin
  • Chronomètre pour chronométrer (facultatif), ou compter les secondes à voix haute

Matériel supplémentaire :

  • Tasse
  • Eau

Guide:

Notes de sécurité

Sois prudent ou prudente lorsque tu utilises un ventilateur électrique. Garde tes doigts loin des pales. Si tu effectues les activités de la partie Recherches supplémentaires, essaie d’effectuer les tests structurels à l’extérieur ou dans un endroit où tu peux nettoyer l’eau renversée. Si tu effectues une simulation de tremblement de terre et de tsunami, évite de jeter de l’eau directement sur une personne.

Marche à suivre

Défi de conception - Ouragan

Une petite ville côtière doit faire face à 10 millions de dollars de dommages structurels par an en raison de l’augmentation des conditions météorologiques extrêmes et de l’intensité des ouragans dans la région. Ton expertise est sollicitée pour concevoir un abri d’urgence pour la communauté qui peut abriter autant de personnes que possible (au moins deux figurines de ton choix) tout en résistant à des vents importants (le réglage maximum d’un ventilateur électrique qui fait directement face à l’abri). Commence par créer un plan de la structure et utilise les matériaux fournis pour construire un prototype.

Les conditions de mise en place sont les suivantes :

  • Pose le morceau de carton sur une table. Il s’agira de ta base. Tu dois fixer ta structure au carton à l’aide de l’adhésif réutilisable. Tu ne dois pas utiliser l’adhésif pour quoi que ce soit d’autre.
  • Tu auras relevé le défi si tu as créé une structure qui répond à ces deux exigences :
    • Tes figurines doivent pouvoir s’asseoir dessous en toute sécurité.
    • Il doit résister pendant au moins 30 secondes aux forces extérieures.

Règles supplémentaires :

  • Quand tu auras terminé ta structure, place-la à une distance de 60 cm ou environ 2 pi de distance du ventilateur électrique. Commence par diriger le ventilateur directement sur ta structure.
  • Expose la structure au réglage le plus bas du ventilateur électrique pendant 30 secondes. Si ta structure résiste à cette force, fais fonctionner le ventilateur à la position suivante pendant 30 secondes. Continue ainsi jusqu’à ce que le ventilateur fonctionne à la position la plus élevée.
  • Ta structure peut-elle résister à un vent venant de toutes les directions? Utilise un autre ventilateur électrique dirigé vers la structure à un endroit différent et répète le processus.

Quels autres phénomènes météorologiques extrêmes sont touchés par les changements climatiques? Apprends-en davantage sur les tremblements de terre et les tsunamis, ainsi que sur la façon dont les changements climatiques peuvent les toucher, puis adapte ta structure pour résister à autant de forces extérieures que possible.

Scénario 1 : tremblements de terre

En raison de la situation géographique de la petite ville côtière, les tremblements de terre ont toujours contribué à des dommages structurels de plusieurs millions de dollars chaque année. Apporte des modifications supplémentaires à ton abri d’urgence afin qu’il puisse résister à des secousses horizontales rigoureuses (déplace la base en carton d’un côté à l’autre) ainsi qu’à une vague d’un mètre de haut se déplaçant à la vitesse d’un ouragan majeur.

Règles supplémentaires :

  • Déplace la base en carton d’un côté à l’autre toutes les 10 secondes. Jette une tasse d’eau toutes les 30 secondes, tout en augmentant le réglage du ventilateur toutes les 30 secondes. Continue ainsi jusqu’à ce que le ventilateur fonctionne à la position la plus élevée.

Scénario 2 : Tsunamis

Les tsunamis étaient assez peu fréquents dans la petite ville côtière, mais au cours des deux dernières décennies, la fréquence des tsunamis a doublé dans la région. Des précautions supplémentaires sont nécessaires pour la sécurité des habitants. Apporte des modifications supplémentaires à ton abri d’urgence afin qu’il puisse résister à la hauteur d’une vague d’un mètre de haut se déplaçant à la vitesse d’un ouragan majeur (d’une hauteur d’un mètre, jette une tasse d’eau en direction de ton abri tandis que le réglage maximal du ventilateur électrique fait directement face à l’abri).

Règles supplémentaires :

  • Jette une tasse d’eau toutes les 30 secondes, tout en augmentant le réglage du ventilateur toutes les 30 secondes. Continue ainsi jusqu’à ce que le ventilateur fonctionne à la position la plus élevée.

Réflexion

  • Combien de scénarios et de forces externes ta structure a-t-elle pu supporter, et pendant combien de temps? Quelles améliorations peux-tu apporter à ta structure à l’avenir?
  • Est-il pratique de construire un seul abri capable de résister à toutes les forces extérieures? Pourquoi ou pourquoi pas?
  • Pourquoi est-il important de développer une structure spécialisée spécifique aux besoins de la région à ce moment-là?

Découverte

Ouragans

Du vent est créé lorsque l’air passe d’une zone de haute pression à une zone de basse pression. Les îles tropicales peuvent être exposées à des vents très violents pendant un ouragan.

Les ouragans se forment lorsque l’air chaud et humide qui se trouve au-dessus de l’océan monte rapidement, créant une zone de basse pression dans laquelle l’air s’engouffre. Ce nouvel air se réchauffe et monte aussi dans les airs. Ce cycle peut mener à des vents violents pouvant ravager les îles et les zones côtières.

Les ouragans sont classés en cinq catégories en fonction de leur intensité mesurée par la vitesse des vents.

Tremblements de terre

Les tremblements de terre peuvent être causés par les frontières des plaques tectoniques ou par l’activité volcanique. Les plaques tectoniques se déplacent constamment à un rythme lent. Lorsque les plaques tectoniques se bloquent brusquement l’une contre l’autre en raison de la friction, la section restante de la plaque continue de se déplacer, ce qui entraîne une pression accrue sur le côté qui est bloqué. Ce côté peut se briser, entraînant un mouvement rapide des plaques et libérant de l’énergie sous la forme d’un tremblement de terre. Des séismes mineurs peuvent également être provoqués par l’effondrement de mines souterraines ou de grandes explosions. L’échelle de Richter est un outil mathématique qui compare la taille ou la magnitude de différents séismes.

Tsunamis

Les tsunamis sont de longues vagues qui résultent d’une grande force de déplacement, généralement due à des plaques tectoniques dans la croûte terrestre glissant les unes sur les autres au fond de l’océan, un peu comme un tremblement de terre. Cependant, les tsunamis peuvent également être le résultat de glissements de terrain ou de volcans.

Ouragans et changements climatiques

Les effets des changements climatiques ne devraient pas augmenter le nombre d’ouragans qui se produisent, mais plutôt leur potentiel destructeur et leur intensité. Par exemple, environ 90 ouragans se produisent en un an à l’échelle mondiale, ce qui n’a pas changé de manière significative. Cependant, le nombre d’ouragans majeurs de catégorie 4 et 5 en Amérique du Nord a augmenté sur une période de 15 ans par rapport à la période précédente.

Parmi les facteurs susceptibles d’augmenter le potentiel destructeur et l’intensité de la formation des ouragans, on peut citer ce qui suit.

  1. On observe une augmentation d’environ 0,1 oC des températures de surface de la mer par décennie depuis 1970, en raison des effets du réchauffement de la planète et des changements climatiques. Les températures de surface de la mer contribuent à l’air chaud et humide nécessaire à l’activité des ouragans. L’air chaud peut contenir plus de vapeur d’eau, ou « carburant » pour les ouragans. En revanche, il peut y avoir une diminution de l’eau froide des océans disponible pour empêcher la formation d’ouragans.
  2. Les changements climatiques peuvent provoquer une fonte plus rapide des glaciers et de la glace au fil du temps en raison de la hausse des températures, ce qui peut entraîner une augmentation du niveau de la mer. Les « ondes de tempête » sont le résultat de l’élévation de l’eau à un rythme plus rapide en raison des tempêtes, comme les ouragans. Ces niveaux de mer plus élevés peuvent se déplacer vers la terre ferme en raison de vents violents. On prévoit que les ondes de tempête se produiront plus souvent en raison de l’augmentation du niveau de la mer à un rythme d’environ 7 à 8 pouces par an depuis les années 1900.
  3. Un effet indirect qui peut augmenter le potentiel destructeur des ouragans est l’augmentation de la densité de population des régions côtières dans le monde. Par exemple, une augmentation de 160 personnes par mille carré a été estimée dans les villes côtières entre 1980 et 2017.

Les vents forts ont un impact important sur les communautés situées près de l’océan. Les tempêtes peuvent causer des milliards de dollars de dommages aux bâtiments et autres structures dus au vent. De nombreuses personnes sont piégées, gravement blessées ou même tuées à cause de cela. Les bâtiments qui résistent aux vents forts peuvent contribuer à assurer la sécurité des personnes.

Tremblements de terre et changements climatiques

Bien que les effets des changements climatiques sur l’activité sismique n’ont pas encore été confirmés, certains effets indirects peuvent tout de même se produire.

Par exemple :

  • Le poids de l’eau sur le sol peut avoir une incidence sur l’activité sismique. Un poids d’eau plus faible sur le sol peut augmenter le taux de petits tremblements de terre que les humains ne peuvent pas ressentir.
  • Cependant, les grandes sécheresses peuvent également faire perdre de l’eau aux roches des montagnes, ce qui peut diminuer les niveaux de stress des failles qui entraînent des tremblements de terre. Dans certaines régions, l’intensité des sécheresses peut augmenter en raison des changements climatiques.
  • De même, le mouvement rapide des glaciers peut également diminuer les tensions imposées par la charge, augmentant ainsi l’activité volcanique et le taux de séismes des glaciers. La fonte des glaces due aux changements climatiques peut accroître l’instabilité et le mouvement des glaciers.

Tsunamis et changements climatiques

La fonte des glaces et l’élévation subséquente du niveau des mers en raison des changements climatiques et du réchauffement de la planète peuvent augmenter la fréquence des tsunamis dans les régions côtières. Lorsque les glaciers se brisent, des tsunamis peuvent se produire en raison du grand volume déplacé dans l’océan, ce qui peut entraîner de longues vagues. La fonte du pergélisol peut également diminuer la stabilité du sol, créant ainsi des glissements de terrain qui peuvent heurter l’eau de l’océan au moment de l’impact et provoquer de grandes vagues locales ou des tsunamis.

Union of Concerned Scientists. (2019). Hurricanes and Climate Change

Sork, A. (2019). The Science of Hurricane-Proof Buildings

Wilson, A. (2022). Building Survivability. Monolithic Dome Institute.

United States Geological Survey. (n.d.). What is an earthquake?

Michigan Tech. (n.d.). Earthquake Magnitude Scale

NASA Climate (2019). Can Climate Affect Earthquakes?

McFadden, C. (2020). Top 5 Earthquake Resistant Structures. Interesting Engineering.

Newton, E. (2021). 5 Keys to Designing Earthquake-Resistant Buildings. Civil Structural Engineering.

National Oceanic and Atmospheric Administration. (n.d.). Tsunamis

Cunneen, J. 5 ways climate change increases the threat of tsunamis. The Conversation.

Craven, J. About the Architecture of Tsunami-Resistant Buildings. Thought Co.

Attachments

Structures contre les intempéries extrêmes

Que se passe-t-il ?

Ouragans

Du vent est créé lorsque l’air passe d’une zone de haute pression à une zone de basse pression. Les îles tropicales peuvent être exposées à des vents très violents pendant un ouragan.

Les ouragans se forment lorsque l’air chaud et humide qui se trouve au-dessus de l’océan monte rapidement, créant une zone de basse pression dans laquelle l’air s’engouffre. Ce nouvel air se réchauffe et monte aussi dans les airs. Ce cycle peut mener à des vents violents pouvant ravager les îles et les zones côtières.

Les ouragans sont classés en cinq catégories en fonction de leur intensité mesurée par la vitesse des vents.

Tremblements de terre

Les tremblements de terre peuvent être causés par les frontières des plaques tectoniques ou par l’activité volcanique. Les plaques tectoniques se déplacent constamment à un rythme lent. Lorsque les plaques tectoniques se bloquent brusquement l’une contre l’autre en raison de la friction, la section restante de la plaque continue de se déplacer, ce qui entraîne une pression accrue sur le côté qui est bloqué. Ce côté peut se briser, entraînant un mouvement rapide des plaques et libérant de l’énergie sous la forme d’un tremblement de terre. Des séismes mineurs peuvent également être provoqués par l’effondrement de mines souterraines ou de grandes explosions. L’échelle de Richter est un outil mathématique qui compare la taille ou la magnitude de différents séismes.

Tsunamis

Les tsunamis sont de longues vagues qui résultent d’une grande force de déplacement, généralement due à des plaques tectoniques dans la croûte terrestre glissant les unes sur les autres au fond de l’océan, un peu comme un tremblement de terre. Cependant, les tsunamis peuvent également être le résultat de glissements de terrain ou de volcans.

Pourquoi est-ce important ?

Ouragans et changements climatiques

Les effets des changements climatiques ne devraient pas augmenter le nombre d’ouragans qui se produisent, mais plutôt leur potentiel destructeur et leur intensité. Par exemple, environ 90 ouragans se produisent en un an à l’échelle mondiale, ce qui n’a pas changé de manière significative. Cependant, le nombre d’ouragans majeurs de catégorie 4 et 5 en Amérique du Nord a augmenté sur une période de 15 ans par rapport à la période précédente.

Parmi les facteurs susceptibles d’augmenter le potentiel destructeur et l’intensité de la formation des ouragans, on peut citer ce qui suit.

  1. On observe une augmentation d’environ 0,1 oC des températures de surface de la mer par décennie depuis 1970, en raison des effets du réchauffement de la planète et des changements climatiques. Les températures de surface de la mer contribuent à l’air chaud et humide nécessaire à l’activité des ouragans. L’air chaud peut contenir plus de vapeur d’eau, ou « carburant » pour les ouragans. En revanche, il peut y avoir une diminution de l’eau froide des océans disponible pour empêcher la formation d’ouragans.
  2. Les changements climatiques peuvent provoquer une fonte plus rapide des glaciers et de la glace au fil du temps en raison de la hausse des températures, ce qui peut entraîner une augmentation du niveau de la mer. Les « ondes de tempête » sont le résultat de l’élévation de l’eau à un rythme plus rapide en raison des tempêtes, comme les ouragans. Ces niveaux de mer plus élevés peuvent se déplacer vers la terre ferme en raison de vents violents. On prévoit que les ondes de tempête se produiront plus souvent en raison de l’augmentation du niveau de la mer à un rythme d’environ 7 à 8 pouces par an depuis les années 1900.
  3. Un effet indirect qui peut augmenter le potentiel destructeur des ouragans est l’augmentation de la densité de population des régions côtières dans le monde. Par exemple, une augmentation de 160 personnes par mille carré a été estimée dans les villes côtières entre 1980 et 2017.

Les vents forts ont un impact important sur les communautés situées près de l’océan. Les tempêtes peuvent causer des milliards de dollars de dommages aux bâtiments et autres structures dus au vent. De nombreuses personnes sont piégées, gravement blessées ou même tuées à cause de cela. Les bâtiments qui résistent aux vents forts peuvent contribuer à assurer la sécurité des personnes.

Tremblements de terre et changements climatiques

Bien que les effets des changements climatiques sur l’activité sismique n’ont pas encore été confirmés, certains effets indirects peuvent tout de même se produire.

Par exemple :

  • Le poids de l’eau sur le sol peut avoir une incidence sur l’activité sismique. Un poids d’eau plus faible sur le sol peut augmenter le taux de petits tremblements de terre que les humains ne peuvent pas ressentir.
  • Cependant, les grandes sécheresses peuvent également faire perdre de l’eau aux roches des montagnes, ce qui peut diminuer les niveaux de stress des failles qui entraînent des tremblements de terre. Dans certaines régions, l’intensité des sécheresses peut augmenter en raison des changements climatiques.
  • De même, le mouvement rapide des glaciers peut également diminuer les tensions imposées par la charge, augmentant ainsi l’activité volcanique et le taux de séismes des glaciers. La fonte des glaces due aux changements climatiques peut accroître l’instabilité et le mouvement des glaciers.

Tsunamis et changements climatiques

La fonte des glaces et l’élévation subséquente du niveau des mers en raison des changements climatiques et du réchauffement de la planète peuvent augmenter la fréquence des tsunamis dans les régions côtières. Lorsque les glaciers se brisent, des tsunamis peuvent se produire en raison du grand volume déplacé dans l’océan, ce qui peut entraîner de longues vagues. La fonte du pergélisol peut également diminuer la stabilité du sol, créant ainsi des glissements de terrain qui peuvent heurter l’eau de l’océan au moment de l’impact et provoquer de grandes vagues locales ou des tsunamis.

Investigate Further

Ressources

Union of Concerned Scientists. (2019). Hurricanes and Climate Change

Sork, A. (2019). The Science of Hurricane-Proof Buildings

Wilson, A. (2022). Building Survivability. Monolithic Dome Institute.

United States Geological Survey. (n.d.). What is an earthquake?

Michigan Tech. (n.d.). Earthquake Magnitude Scale

NASA Climate (2019). Can Climate Affect Earthquakes?

McFadden, C. (2020). Top 5 Earthquake Resistant Structures. Interesting Engineering.

Newton, E. (2021). 5 Keys to Designing Earthquake-Resistant Buildings. Civil Structural Engineering.

National Oceanic and Atmospheric Administration. (n.d.). Tsunamis

Cunneen, J. 5 ways climate change increases the threat of tsunamis. The Conversation.

Craven, J. About the Architecture of Tsunami-Resistant Buildings. Thought Co.

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