Physique-Chimie au Collège

I – L’unité d’énergie

L’unité internationale pour exprimer une énergie est le joule (J).

1 joule est environ l’énergie nécessaire sur Terre pour soulever un objet ayant une masse de 100g à une hauteur de 1 m.

Remarque : une ancienne unité de mesure de l’énergie est encore utilisée dans le secteur alimentaire, la calorie. Cependant les deux unités doivent être mentionnées sur les emballages.

II- Qu’est-ce que l’énergie cinétique ?

Un objet en mouvement possède de l’énergie cinétique liée à sa vitesse.

Quelle est l’expression de cette énergie ?

Activité  » Orgue de Casadei » :

• Etude de l’influence  de la masse de l’objet sur l’énergie cinétique :

Casadei, ingénieur chez Renault, a eu l’idée suivante :  on envoie le projectile à étudier sur un tube qui se replie plus ou moins selon l’énergie cinétique du projectile. Sur la figure cicontre, on a placé côte à côte les tubes obtenus en fonction de la masse du projectile pour une même vitesse initiale. On obtient « l’orgue de Casadei ».

Pour déterminer la relation entre l’énergie cinétique et la masse, on peut  réaliser le graphique qui  représente la déformation subie par une barre de fer qui reçoit des projectiles de masses différentes à la même vitesse.

D’après ce graphique, on voit clairement une relation de proportionnalité entre la masse de l’objet et la déformation qu’il provoque, car on obtient une droite qui passe par l’origine.

L’énergie cinétique d’un corps en mouvement est donc proportionnelle à la masse.

• Etude de l’influence  de la vitesse de l’objet sur l’énergie cinétique :

On projette sur une barre en métal un chariot dont la masse est fixée. Plus le chariot va vite et plus il déforme la barre en métal lors du choc. Si l’on réalise plusieurs essais à des vitesses différentes, on obtient un « orgue de Casadei ».

On peut réaliser le graphique qui  représente la déformation subie par une barre de fer qui reçoit un même projectile à des vitesses croissantes.

Si la déformation était proportionnelle à la vitesse, les points représentant la déformation en fonction de la vitesse seraient alignés sur une droit passant par l’origine. Comme ce n’est pas le cas, il n’y a pas de relation de proportionnalité entre déformation et vitesse.

La déformation à 20 km/h est de 16 mm, à 40 km/h de 64 mm et à 80 km/h de 256 mm : à chaque fois que la vitesse double, la déformation est multipliée par 4.
La déformation à 30 km/h est de 36 mm et à 90km/h elle est d’environ 324 mm : la déformation est multipliée par 9.

Il semble que la déformation, donc l’énergie cinétique, dépende du carré de la vitesse. 

 Conclusion : 

L’énergie cinétique Ec d’un solide en translation est proportionnelle à la masse m de l’objet et au carré de sa vitesse v.

La formule de l’énergie cinétique  de cet objet est :

III – L’énergie cinétique se transforme.

1) En énergie thermique.

Au cours du freinage, l’énergie cinétique du véhicule est essentiellement transformée en énergie thermique au niveau des freins du véhicule (frottements).

2) En énergie de déformation.

Une voiture qui rentre dans un mur se déforme sous l’effet de la vitesse, or de la même façon que la barre de fer, un voiture a besoin d’énergie pour se déformer.

En cas de choc, la transformation de l’énergie cinétique provoque la déformation du véhicule et peut occasionner des blessures aux passagers, voire leur mort.

Les dégâts sont d’autant plus importants que la vitesse est grande.

III – Energie cinétique et distance de freinage.

La distance d’arrêt D_A est la distance parcourue par un véhicule entre le moment où le conducteur perçoit un obstacle et l’arrêt complet du véhicule.

D_A = D_R  +  D_F

La distance de réaction D_R est la distance parcourue pendant le temps de réaction t_R, entre l’instant où le conducteur voit l’obstacle et celui où il commence à freiner.
Ce temps dépend des réflexes du conducteur et de son attention. Il est d’environ 1 à 2 s.

La distance de freinage D_F est la distance parcourue, depuis le début du freinage, jusqu’à l’arrêt du véhicule.
Cette distance dépend de la vitesse du véhicule, de son état (freins, pneus) et de l’état de la route.

Au cours du freinage, l’énergie cinétique du véhicule est essentiellement transformée en énergie thermique au niveau des freins du véhicule. D_F est multipliée par 4 quand la vitesse est doublée car cette distance est liée à l’énergie cinétique du véhicule.

CONCLUSION :
La distance d’arrêt d’un véhicule augmente plus vite que la vitesse car elle est liée à son énergie cinétique.

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TP Distance de freinage

Exercices mécanique 1

Exercices mécanique 2

Exercices mécanique 1 (corrigés)

Exercices mécanique 2 (corrigés)