Les matériaux dans les transports

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1 Activité n 3 : élasticité d un matériau- ère partie : les matériaux constitutifs d un vélo Objectifs - Distinguer les différentes familles de matériaux présentes dans un dispositif de transport et relier leurs propriétés physico-chimiques à leur utilisation. Compétences engagées T STL Thème Transport Activités Chapitre n 6 - Les matériaux dans les transports S approprier : Communiquer : - Rechercher, extraire et organiser l information en lien avec la problématique - Utiliser un vocabulaire scientifique adapté. Les différentes familles de matériaux : Regarder la vidéo «il était une fois les matériaux» et répondre aux questions suivantes : - Quelles sont les 4 grandes familles de matériaux? - Citer pour chacune d entre elles des exemples de matériaux.. Les matériaux constitutifs d un vélo : Lors de la fabrication d un vélo, le choix des matériaux est fondamental. Le tableau ci-dessous répertorie les matériaux constitutifs des principaux organes de deux vélos vendus sous la même enseigne. Les deux vélos ont été choisis pour cette étude en raison de leur prix et de leur masse très différents. - Que signifie acier inox, acier nickelé? - Les pédales du vélo de course sont constituées d un alliage léger. Rechercher sur internet ce que pourrait être cet alliage léger. A quelle propriété physique fait allusion le terme léger? Quel terme aurait été préférable? - Classer chaque matériau rencontré en trois catégories : métaux, polymères (ou matériaux organiques) et céramiques (ou matériaux minéraux). - Quelles sont les différences fondamentales entre ces deux vélos en termes de matériaux? Quels critères ont été favorisés lors de la conception de chacun d eux?

2 ème partie : élasticité d un matériau Objectifs - Caractériser la rigidité / élasticité d un matériau en déterminant la valeur de son module de Young. - Utiliser le logiciel «Gum_MC_Eleve_Lycee» pour déterminer une incertitude de mesure. Compétences engagées Les compétences de la démarche scientifique - Grille de notation fournie Document n : déformation élastique d un matériau Tous les solides sont élastiques : le bois, les métaux, les céramiques, même le diamant. L élasticité est la capacité d un matériau à revenir à sa forme d origine après qu on lui a imposé une déformation mécanique en le tordant, en l étirant ou en le compressant. Au-delà d une certaine déformation, soit le matériau atteint son point de rupture, soit il quitte le domaine élastique pour se déformer de manière plastique, c est-à-dire non-réversible : lorsque la contrainte disparaît, il ne revient pas à sa forme initiale. La limite d élasticité est souvent très basse. Pour les métaux, il faut que la déformation reste inférieure à environ 0, % de la taille initiale de l échantillon. Document n : le module de Young En physique, la rigidité d un matériau se mesure en calculant le «module de Young» noté E, c est-à-dire la pression à exercer pour allonger le matériau jusqu à deux fois sa longueur initiale. Pour le diamant, cette valeur est de 000 gigapascals (GPa), contre 00 pour l acier, 3 pour le polystyrène et moins de 0, pour le caoutchouc. Dans le domaine élastique la déformation est proportionnelle à la contrainte appliquée. Le module d Young correspond au coefficient de proportionnalité E : σ = E ε σ : contrainte mécanique (Pa) ε : déformation E : module d Young (Pa) Dans le domaine plastique la déformation n est plus proportionnelle à la contrainte appliquée. Détermination expérimentale du module de Young du matériau constitutif d un fil de pêche : Vous disposez sur votre table : - d une potence à laquelle est accroché un fil de pêche de longueur à vide = et de diamètre D = ; - d une masse m =... Représentez ce dispositif sur votre compte-rendu, et faites apparaitre la force de traction exercée par la masse sur le fil.. Déterminez la contrainte exercée par la masse suspendue à l extrémité du fil sachant que : - σ : contrainte exercée par la masse sur le fil en Pascal = - (Pa); F : force de traction exercée par la masse sur le fil en Newton (N); - S : section du fil en m.. Déterminez la déformation du fil due à l action de la masse suspendue sachant que : =.3 Déterminez la valeur du module de Young du matériau. - ε : déformation du fil (ε% = ε x 00) ; - : longueur du fil lorsque la masse est suspendue ; - = : allongement du fil.

3 .4 Ecriture du résultat avec son incertitude à l aide du logiciel Gum_MC_Eleve_Lycee. Mesurer une grandeur (intensité d un courant, tension, longueur, etc.), n est pas simplement rechercher la valeur de cette grandeur mais aussi lui associer une incertitude afin de pouvoir qualifier la qualité de la mesure. Lord Kelvin - Ouvrez le fichier «moduleyoung» à l aide du logiciel «Gum_MC_Eleve_Lycee» ; - Dans l onglet «Grandeurs d entrée», entrez les valeurs de,, m et D en respectant l unité décrite. - Dans ce même onglet, indiquez pour chacune des grandeurs précédentes l incertitude associée à chacune de ces 4 grandeurs : o pour les mesures des longueurs et, l incertitude correspond à une graduation du mètre ruban ; o l incertitude relative sur la masse m utilisée est de 5% ; o l incertitude relative sur le diamètre du fil de pêche est de 5%. Cliquez alors sur le bouton «Valider et calculer la grandeur de sortie». - Ecrire la valeur du module de Young en gardant chiffre sur l incertitude et avec un taux de confiance de 95%.. Quel matériau est le plus élastique? On cherche à savoir lequel du fluorocarbone ou du nylon est le matériau le plus élastique. On dispose des tableaux de mesure suivants : Fil de fluorocarbone de diamètre 0,6 mm Fil de Nylon de diamètre 0,6 mm Masse m (kg) Longueur l (mm) Masse m (kg) Longueur l (mm) Variations de la contrainte σ exercée en fonction de la déformation ε du fil : - A l aide du logiciel REGRESSI, visualiser pour chaque fil la courbe représentant les variations la contrainte σ exercée en fonction de la déformation ε du fil. - Représentez l allure de ces deux courbes sur votre compte-rendu. Partagez - en justifiant - chacune des deux courbes en deux domaines : le domaine des déformations élastiques et le domaine des déformations plastiques (document ). - Pour quelle contrainte la déformation du fil de Nylon atteint-elle %? Quelle est, pour cette contrainte, la déformation du fil de fluorocarbone?. Utilisez la fonction modélisation pour déterminer le module de Young de chacun des matériaux. Justifiez..3 Conclure.

4 Grille de notation «élèves»: Exemples de capacités associées Niveaux de réussite A B C D Coefs S approprier Analyser Réaliser Valider Communiquer Être autonome, faire preuve d initiative - Rechercher, extraire et organiser l'information - Utiliser les symboles appropriés - Emettre une hypothèse - Choisir les grandeurs à mesurer - Proposer un modèle - Schématiser un dispositif - Exploiter une relation, un calcul littéral - Effectuer un calcul numérique, convertir les unités, utiliser la calculatrice - Tracer un graphique sous Regressi - Lecture d un graphique - Estimer l incertitude d une mesure - Valider des résultats - Interpréter des résultats - Communiquer des résultats, rédiger une solution - Exprimer un résultat (grandeur, unité, chiffres significatifs) - Communication est claire, cohérente avec un vocabulaire scientifique précis - S impliquer - Prendre des initiatives - Travailler en autonomie - Travailler en groupe 3 NOTE : / 0

5 Grille de notation professeur Exemples de capacités associées Niveaux de réussite A B C D Coefs S approprier Analyser Réaliser Valider Communiquer Être autonome, faire preuve d initiative -. Distinguer les zones sur les graphes -.3 Elasticité d un matériau -. Emettre une hypothèse pour déterminer F -. et.3 Choisir les grandeurs à mesurer -. Proposer un protocole / modèle pour déterminer E à partir des deux courbes - Schématiser le dispositif avec correcte -. Calcul de σ -. Calcul de ξ -.3 Calcul de E -. Tracer un graphique sous Regressi -. Lecture du graphe -.4 Estimer l incertitude de E -.4 Validation du résultat de la question Répondre à la problématique : quel matériau est le plus élastique? - Communiquer des résultats, rédiger une solution -. à.4 Exprimer un résultat (grandeur, unité, chiffres significatifs, incertitude) - Communication est claire, cohérente avec un vocabulaire scientifique précis - S impliquer - Prendre des initiatives - Travailler en autonomie - Travailler en groupe 3 NOTE : / 0

6 Incertitude de type B ( seul mesure) : CORRECTION Nathan TS p.574 : Mètre ruban gradué au mm. Donc la précision ou tolérance du mètre ruban : δ = 0,5 mm qui correspond à une ½ graduation => incertitude de mesure due à la lecture de la valeur + lecture du zéro est U(L) = 0,8 mm donnée avec chiffre significatif. - Mesure du fil à vide avec mètre ruban : Lo = (000,0 +/- 0,8) mm avec U(Lo) = 0,8 mm Et incertitude relative : Lo/ Lo = 0,8/000=0,0008 soit 0,08% - Mesure du fil avec masse avec mètre ruban : L = (0,5 +/- 0,8) mm avec U(L) = 0,8 mm et incertitude relative L/ L = 0,8/0,5=0,00074 soit 0,07% - Donc ΔL = (0,5 +/-,) mm avec ΔL = # $ %+ $ % = 0,8 =, -- et incertitude relative ΔL/ ΔL =,/0,5=0,0 soit % - Donc ε = 0,08 +/- 0,00 avec ε =./ 0 3$ +/ 0 3$ = 0,0754 #0,0 $ +0,0008 $ = 0,0007 et incertitude relative U(ε)/ ε = 0,00/0,08 soit,9% - Masse m = (0,500 +/- 0,005) kg avec U(m) = 0,005 kg et U(m)/m=0,005/0,500=0,0 soit % - Donc F = (4,9 +/- 0,05) N avec U(F) = 0,05 N et U(F)/F=0,05/4,9=0,0 soit % - Diamètre D = (0,6 +/- 0,0) mm avec U(D) = 0,0 mm et U(D)/D=0,0/0,6=0,07 soit 7% - Donc S = (0,00 +/- 0,00) mm avec U(S) = 0,00 mm et U(S)/S=0,00/0,00=0, soit 0% - Donc σ = (,5 +/- 0,3 ) x 0 8 Pa avec σ = σ./ $ +/ $ =,46 0 : #0,0 $ +0, $ =,47 0 ; et incertitude relative U(σ )/ σ = 0,3/,5=0, soit % - Finalement, E = (,3 +/- 0,3) x 0 9 Pa < < = => σ $ σ? +> $? = #0, $ +0,0 $ = et incertitude relative U(E) = 0,*.7x 0 9 =.7x 0 8 Pa

7 Comportement contrainte-déformation Fil de Nylon contrainte σ (Mpa) ,0 0,04 0,06 0,08 0, 0, 0,4 0,6 0,8 déformation ε(sans unité) Fil de fluorocarbone

8 Exercices d application : - Ex. p.60 - Ex.5 p.6