Physique, chapitre 4 : Énergies et vitesse - La Charente

Physique, chapitre 4 : Énergies et vitesse
1. Accident de voiture 1.1 Vitesse
Il faut respecter les limitations de vitesse !
La relation est : v = d/t
où v est la vitesse moyenne exprimée en m/s
où d est la distance parcourue en m
où t est la durée exprimée en s
Remarque : on utilise souvent comme unité le km/h
ex de conversion : 90 km/h = 90 000 m/h (on multiplie par 1000)
= 25 m/s (on divise par 3600)
50 km/h = 50 000 m/h
= 14 m/s
1.2 Chronophotographie
Il faut regarder à gauche, à droite et à gauche !
Une chronophotographie est une succession de photos prises à intervalle de temps régulier.
Mouvement accéléré
m
m
Mouvement uniforme
m
Mouvement ralenti
Mouvement accéléré
Calcul de vitesse sur la chronophotographie des cyclistes, sachant que les photos sont prises toutes les 2 secondes.
Pour le mouvement 1 : vB= 20 /2 = 10 m/s et vC = 35/4 = 8,75 m/s
Le mouvement 1 est ralenti.
Pour le mouvement 2 : vB= 15 /2 = 7,5 m/s et vC = 30/4 = 7,5 m/s
Le mouvement 2 est uniforme.
Pour le mouvement 3 : vB= 5 /2 = 2,5 m/s et vC = 15/4 = 3,75 m/s
Le mouvement 3 est accéléré.
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1.3 Énergie et déformation
Il faut boucler la ceinture de sécurité !
a. D’après les expériences du « bac à sable »,
Plus la vitesse est grande, plus il y a déformation
Plus la masse est grande, plus il y a déformation
b. D’après l’orgue de Casadéi,
La déformation n’est pas proportionnelle à la vitesse.
Si la vitesse est multipliée par 2, la déformation est multipliée par 4.
Si la vitesse est multipliée par 3, la déformation est multipliée par 9.
c. Donc, on a : énergie cinétique = énergie de mouvement.
Ec = ½ m v²
(masse en kilogramme et vitesse en m/s)
L’énergie cinétique dépend de la masse et de la vitesse. Elle s’exprime en joule.
Ex : un camion de masse 7500kg à la vitesse 80km/h (22m/s)
Ec = 0,5 x 7500 x 22²
Ec = 1 815 000 J
1.4 Distance d’arrêt
Il faut rester vigilant au volant !
1.5 ASSR
Le port du casque est obligatoire !
Lors d’un choc, l’énergie cinétique déforme la mousse à l’intérieur du casque. Il faut changer régulièrement le casque .
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1) Tableau des vitesses et des distances d’arrêt.
V (km/h)
10
20
50
90
100
V (m/s)
2,78 5,55
13,88
25
27,8
DR(m)
2,78 5,55
13,88
25
27,8
DA(m)
3,28
7,55
26,38
65,5
77,8
La distance d’arrêt n’est pas proportionnelle à la vitesse. Elle évolue suivant le carré de la vitesse (Ec = 1/2mv²)
2) Conversion : 45km/h = 45000m/h = 45000/3600 = 12,5 m/s
Distance de sécurité : 12,5 x2 = 25m
Les 10 mètres proposés par le conducteur sont donc insuffisants.
Conversion : 130km/h = 130000m/h = 130000/3600 = 36,1 m/s
Distance de sécurité : 36,1 x2 = 72,2m
1 trait = 38 m
2 traits = 76 m > 72 m (la distance de sécurité est respectée)
(et il y a 14 mètres en les deux traits !)
Pour évaluer la distance de sécurité entre 2 véhicules, il suffit de compter deux secondes pour atteindre la position de la voiture qui précède.
3) les fausses idées :
«En cas d’accident, je suis assez fort pour amortir le choc moi-même.
Je me cramponne au volant ou aux poignées latérales.»
FAUX. Les muscles des bras ne peuvent guère résister à une force de plus de 250 Newtons. Or à 50 km/h contre un mur, c’est une force de plus de 2.000 Newtons qu’ils devraient développer pour retenir un corps de 75 kg. La ceinture est conçue pour résister à une force de 2.500 à 3.000 Newtons environ. Les poignées de maintien, quant à elles, ne sont pas conçues pour résister à de tels poids. Elles sont un instrument de confort, et pas de protection. Non ceinturé, un corps est donc projeté à travers le parebrise ou l’habitacle. Et il est impossible de se cramponner, ou de protéger un enfant dans ses bras.
«La ceinture ne sert à rien pour les petits déplacements.»
FAUX. Les deux tiers des accidents se produisent à moins de 15 km du domicile et 35 % des tués sur la route le sont en agglomération, donc vraisemblablement au cours d’un trajet quotidien (domicile/travail/école/loisirs).
«La ceinture ne sert pas à grand chose à faible vitesse.»
FAUX. Sans ceinture, les blessures peuvent être mortelles, même à 30 km/h. Être précipité sur un parebrise en verre feuilleté a, pour le visage, des conséquences dramatiques que les chirurgiens plastiques connaissent trop bien. 70 % des blessés non ceinturés le sont à moins de 50 Km/h. Un choc à 50 km/h correspond à une chute du 4ième étage! Aujourd’hui, avec ceinture, un choc n’est pratiquement jamais mortel aux vitesses couramment pratiquées en ville.
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«La ceinture est dangereuse. Elle peut se bloquer et en cas d’accident, je risque de ne pas
pouvoir sortir de ma voiture.»
FAUX. En cas d’accident, sans éjection, la ceinture est la seule chance de rester conscient, pour pouvoir quitter rapidement le véhicule. Après un tonneau, l’éjection d’un usager non ceinturé est mortel dans 9 cas sur 10. En cas d’incendie, les chances de survie sont multipliées par 5 et en cas d’immersion par 3. En outre, les cas de ceintures bloquées sont rarissimes et aucun n’a pu être prouvé ni dans les études scientifiques, ni dans les enquêtes.
«La ceinture, c’est mon problème; ça ne concerne pas les autres si je n’en mets pas.»
FAUX: Le port de la ceinture relève du civisme.
Les accidents de la route coûtent 150 millions de francs par jour à la collectivité: secours, hospitalisation, rééducation, etc. A titre personnel, comment peuton accepter de garder éventuellement sa vie – ou de la perdre – pour un sentiment illusoire de liberté? Quelle est la liberté de l’accidenté qui passe plusieurs mois dans un hôpital ou qui se trouve handicapé à vie? Sur le plan familial, il s’agit tout simplement de la responsabilité des parents visàvis de leurs enfants: à la fois pour ne pas mettre en danger la vie et l’équilibre de la famille et pour expliquer aux jeunes enfants qu’ils doivent être attachés.
«Ma voiture possède un sac gonflable (airbag): pas besoin de ceinture!.»
FAUX: Le sac gonflable est une protection supplémentaire contre les chocs frontaux violents. Pour le conducteur, c’est un appoint qui empêche le contact entre la tête et le volant, le corps étant déjà retenu par la ceinture. Pour le passager, il empêche le contacte avec le tableau de bord. Associé à la ceinture, il en améliore l’efficacité de 15 à 25 %.
«Les systèmes de retenue pour les enfants sont compliqués. Les enfants ne supportent pas
d’être attachés.»
FAUX: Les systèmes les plus récents ont été simplifiés, certaines sont même prévues en option par les constructeurs et intégrés. Les enfants acceptent très bien les systèmes de retenue s’ils y ont été habitués dès leur plus jeune âge. Ils apprécient souvent d’avoir leur propre siège. Certes, au bout d’un certain temps, ils éprouvent le besoin de bouger, mais rappelons qu’une pause est nécessaire toutes les deux heures.
«C’est le conducteur qui est responsable du port de la ceinture ou d’un moyen de retenue
pour tous ses passagers.»
FAUX: On est personnellement responsable quand on est majeur (à partir de 18 ans).
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4) Moto : quel permis ? À quel âge ?
Age
mini
14 ans 16 ans 18 ans Permis
2 roues ASSR* + BSR*
AL ou A1
A
18 ans B
Cyclomoteur
Motocyclette légère Motos <34 ch Motocyclette
boîte automatique
20 ans 21 ans B
+ 2 ans de permis A
Cylindrée
max
50 cc
125 cc

Puissance
max

11 kW / 15 ch
25 kW / 34 ch Vitesse
max
45 km/h

80 cc
75 km/h Motocyclette légère
125 cc 11 kW / 15 ch

Toutes motos
73.6 kW / 100 ch

* Lexique ASSR : Attestation Scolaire de Sécurité Routière. Formation théorique et gratuite donnée en classe de 5ème et de 3ème.
BSR : Brevet de Sécurité Routière. Trois heures de formation en circulation. Ce brevet ne peut être délivré que par une autoécole et vous coûtera environ 50 euros.
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2. Chute libre L’énergie est la capacité à agir. Son unité est le Joule de symbole J.
Lors d’une chute libre, un objet n’est soumis qu’à son poids.
2.1 Chute d’une balle de tennis
la balle est à une certaine hauteur : elle a donc une énergie de position.
(1)
Ep(1)> Ep(2)> Ep(3)> Ep(4)
(2)
Son énergie de position diminue lors de la chute.
(3)
la balle a une certaine vitesse : elle a donc une énergie cinétique.
Ec(1)< Ec(2)< Ec(3)< Ec(4)
(4)
Son énergie cinétique augmente lors d’une chute.
Remarque : Ep(4) = 0J et Ec(1) = 0J
Energie
Em
Ec
Lors d’une chute, l’énergie de position se transforme en énergie cinétique car l’énergie de position et l’énergie cinétique forment l’énergie mécanique.
Ec + Ep = Em
Ep
temps
2.2 Chute d’une bille
Ec(A) = ½ m v²
= 0,5 x 0,085 x 1,1²
= 0,051 J
Ep(A) = 0,085 x 10 x 0,9
= 0,76 J
Lors d’une chute libre, l’énergie mécanique se conserve.
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Position A
Nous allons étudier les transferts d'énergie d'un bille lors d'une chute libre.
Sa masse vaut : m = 85g = 0,085 kg
Sur Terre, l'intensité de pesanteur g = 10 N/kg
Une chronophotographie de la chute de la bille a été réalisée avec un intervalle de 0,02s entre chaque photographie. Ceci a permis de calculer les vitesses en quatre positions.
Position
Position B
Vitesse de la bille (en m/s)
Energie cinétique Energie de Energie mécanique ( en J)
position (en J)
(en J)
A
1,1
0,051
0,76
0,8
B
2,2
0,20
0,60
0,8
C
3,2
0,44
0,34
0,8
D
4,1
0,71
0,09
0,8
Position C
v=d/t
Ec=1/2mv²
Ep =mgh
Em= Ec+Ep
La vitesse augmente au cours de la chute
L'Ec augmente au cours de la chute
L'Ep diminue au cours de la chute
L'Em se conserve au cours de la chute
Position D
Rappels : v en m/s
Ec en Joule
Ep en Joule
Em en Joule
d en mètres
m en kilogramme
m en kilogramme
et t en seconde
et v en m/s
g en N/kg et h en mètre
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2.3 Chute d’eau
Quand l’eau chute, sa hauteur diminue et sa vitesse augmente. Son Ep se transforme en Ec qui se transforme en E électrique.
Remarque : on ne peut pas stocker de l’énergie électrique. Mais le stockage de l’Ep de l’eau est possible. C’est une énergie renouvelable qui a quelques inconvénients (destruction d’écosystème)
2.4 Montagnes russes
Em
Ec
A
B
C
D
Ep
2.5 Histoire de la chute : Galilée
Pour Galilée, la preuve c’est l’expérience, pour Aristote c’est le « bon sens ».
Deux objets quelque soit leur masse, tombent à la même vitesse dans le vide.
Une expérience scientifique doit être chiffrée et reproductible.
A partir de Galilée, le centre du monde n’est plus la Terre.
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2.6 Comparaison énergie position et cinétique
1. Rappeler la formule permettant de calculer l’énergie cinétique. Calculer l’énergie cinétique d’une voiture à la vitesse de 50km/h et de masse 1500kg.
On convertit 50km/h en m/s. 50 km/h = 50 *1000/3600 = 13,88 m/s On arrondit à 14m/s
La formule d’énergie cinétique Ec = On calcule : Ec = 1/2x1500x14² = 147 000 J
2. Pour calculer l’énergie de position, on utilise la formule suivante : Ep = mgh où m est la masse du véhicule, g la constante de pesanteur (ici égale à 9,8 N/kg) et h la hauteur de chute. Quelle est l’énergie de position d’une voiture tombant de 10m et de masse 1500kg.
On calcule : Ep = 1500x9,8x10 = 147 000 J
3. Comparer les résultats des questions 1 et 2.
Les résultats sont identiques. Prendre un choc frontal à 50 km/h est équivalent de tomber de 10 m de haut !
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