Physique Chimie Energie Cinétique Sécurité Routière

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1 Niveau 3 ème Prgramme : Physique Chimie Energie Cinétique Sécurité Rutière C - De la gravitatin à l énergie mécanique C2 - Énergie cinétique et sécurité rutière Dans les myens de transprt, l hmme cherche tujurs à aller plus vite pur gagner du temps ; le train à grande vitesse (TGV) en est une remarquable illustratin. Mais les trp nmbreux accidents rutiers qui tuchent ntamment les jeunes justifient à eux seuls l apprche quantitative de l énergie cinétique. Plus psitivement, ce paragraphe peut être explité avec prfit dans le cadre de l attestatin sclaire de sécurité rutière, afin d attirer l attentin des élèves sur les dangers de la vitesse. Cnnaissances Capacités Cmmentaires Purqui la vitesse est-elle dangereuse? La distance de freinage crît plus rapidement que la vitesse. Expliter les dcuments relatifs à la sécurité rutière. Thèmes de cnvergence : sécurité, énergie Mts-clé Énergie cinétique vitesse distance d'arrêt sécurité rutière accidents chcs Liste de matériel : Prfesseur u élèves Référence Mesureur de vitesse Maquette énergie cinétique Remarques Astuces Le «Jule» est l unité d'énergie dans le système internatinal. Cela représente l'énergie de muvement d'un mbile de masse m = 2 kg se déplaçant à la vitesse v = 1 m/s. Du fait de la dispersin des résultats lrs des mesures de la vitesse du charit et de celles de la distance de recul de l'bstacle lrs du chc, cette activité se prête bien à la réalisatin d'une étude statistique. S'assurer que la psitin du capteur de vitesse par rapprt au rail ne change pas, au besin les rendre slidaires. PIERRON 2008 Energie Cinétique - Sécurité Rutière (page 1)

2 Mesurer au pied à culisse le diamètre du cylindre qui passe dans la furche ptique afin de régler le mesureur de vitesse. Régler la psitin de la furche ptique pur que le cylindre psé sur le charit en srte au mment ù il rencntre l'bstacle. Prendre sin de lâcher le charit sans vitesse initiale. Vérifier le psitinnement crrect de l'bstacle devant le zér de la règle avant chaque lâcher du charit. On purrait penser qu en chisissant les distances à parcurir par le charit telles que L 2 = 4L 1 et L 3 = 9L 1 les vitesses atteintes par ce dernier au mment de l impact sur l bstacle seraient telles que V 2 = 2V 1 et V 3 = 3V 1 : en réalité, à cause des frttements, cela n est pas réalisable. Il faut dnc tâtnner à partir de la situatin idéale décrite ci-dessus et abslument vérifier que les vitesses finales du charit snt dans les prprtins chisies en ajustant les distances à parcurir (par exemple si L 1 = 6,5 cm, L 2 = 25 cm au lieu de 26 et L 3 = 62 cm, au lieu de 58,5) La lngueur du banc de lancement étant limitée, il faut veiller à ce que L 1 n'excède pas 7 cm si n suhaite que L 3 = 9 L 1 reste réalisable. PIERRON 2008 Energie Cinétique - Sécurité Rutière (page 2)

3 Prlngements pssibles : Histire des sciences James Presctt Jule ( ) Physicien britannique, il étudie la chaleur dégagée par les curants électriques dans les cnducteurs et frmule en 1841 la li qui prte sn nm et qui cdifie le dégagement d énergie thermique dans un cnducteur de résistance R parcuru pas un curant électrique d intensité I pendant un temps t : W = RI 2 t Il détermine également, en 1842, l'équivalent mécanique de la «calrie», ancienne unité d énergie thermique, en s appuyant sur le principe de cnservatin de l'énergie qu il énnce. Il truve qu une calrie (cal) crrespnd à 4,18 J. Utilisant la thérie cinétique des gaz, il calcule la vitesse myenne des mlécules gazeuses. Sécurité rutière Extrait du site guvernemental de la sécurité rutière : " La distance d arrêt augmente avec la vitesse. Elle crrespnd à la distance parcurue pendant le temps de réactin du cnducteur plus la distance de freinage du véhicule. Face à un événement imprévu, le cnducteur réagit tujurs avec un léger temps de décalage. Ce temps de réactin varie de 1 à 2 secndes et dépend de l attentin du cnducteur, de sn expérience de la cnduite, de sn état physique et des cnditins de circulatin. Avec la vitesse, la distance parcurue pendant ce délai incmpressible s accrît, quel que sit le cnducteur. La distance de freinage du véhicule dépend, bien entendu, de l état de la chaussée : sur sl humide, elle est quasiment multipliée par deux. Mais c est la vitesse qui a le plus d influence sur la distance de freinage. Quand la vitesse duble, la distance de freinage est multipliée par quatre : n dit que la distance de freinage varie avec le carré de la vitesse. En cas d accident, le chc est plus vilent, et les cnséquences plus graves. Jusqu à 30 km/h, la prbabilité d être tué lrs d un chc frntal est quasi nulle. Mais elle augmente rapidement avec la vitesse. Ainsi, la prbabilité qu un cnducteur ceinturé sit tué lrs d un chc frntal à 70 km/h est de 50%. Pur tut passager du véhicule, même ceinturé, à la suite d un chc au-dessus de 80 km/h, la mrt est quasi inévitable." PIERRON 2008 Energie Cinétique - Sécurité Rutière (page 3)

4 Nm : Prénm : Classe : Date : Physique Chimie Energie Cinétique et Sécurité Rutière Objectifs : Cmprendre que l'énergie cinétique du véhicule crît cmme le carré de sa vitesse. Cmprendre que plus l'énergie cinétique du véhicule est grande, plus les cnséquences snt graves en cas de chc. Le dispsitif utilisé permet de mesurer la vitesse V d'un charit de masse m, dnc de calculer sn énergie cinétique seln la frmule E c = 1/2.m.V 2. Il permet de visualiser les cnséquences d'un chc par la distance plus u mins imprtante de recul de l'bstacle percuté par le charit. ACTIVITÉ 1 : étude de l'influence de la masse en muvement lrs du chc, la vitesse étant cnstante. Le charit a une masse m 1 qui peut être dublée par l'ajut d'une charge : m 2 = 2 m 1. Activer le mesureur de vitesse : il permettra de vérifier que la vitesse reste la même à chaque lâcher. Psitinner l'bstacle devant le zér de la règle. Lâcher le charit à 9 reprises depuis la même psitin sur le rail en prenant sin de ne pas lui cmmuniquer de vitesse initiale. Mesurer la distance d'arrêt "D" du charit visualisée par le déplacement de l bstacle percuté et reprter à chaque fis le résultat dans le tableau ci-dessus (D 1 pur le charit de masse m 1 et D 2 pur le charit de masse m 2 ). PIERRON 2008 Energie Cinétique - Sécurité Rutière (page 4)

5 m 1 = 64g D 1 en cm m 2 = 129g D 2 en cm 18,5 21,0 20,0 21,0 22,5 22,0 24,0 22,0 24,5 44,0 47,0 47,5 48,0 44,0 43,5 46,0 44,5 43,5 Calculer la distance myenne de recul de l'bstacle cnsécutivement au chc en faisant la myenne des distances de recul mesurées. D 1my = 21,7cm D 2my = 45,3cm Frmuler une cnclusin en cmplétant les phrases de l encadré ci-dessus avec les termes : «masse, même, dublée, 2, prprtinnelle» Cnclusin À vitesse cnstante, l'énergie cinétique est prprtinnelle à la masse. Pur une même vitesse, quand la masse du véhicule en muvement est dublée, la distance d'arrêt, dnc les cnséquences du chc snt multipliées par 2. La masse en muvement et la distance d'arrêt snt prprtinnelles. ACTIVITÉ 2 : étude de l'influence de la vitesse du véhicule en muvement lrs d'un chc, la masse étant cnstante. On peut faire varier la vitesse du charit en le lâchant de plus u mins haut sur le rail. A : La vilence du chc prduit par un véhicule en muvement heurtant un bstacle est-elle prprtinnelle à la vitesse de ce véhicule? Chisir les vitesses dans les prprtins : V 2 = 2V 1 et V 3 = 3V 1 en fixant les lngueurs des distances à parcurir sur le rail incliné telles que L 1 = 6,5 cm, L 2 =25 cm et L 3 = 62 cm, La masse du charit sera m 2 = 129 g On effectuera 5 mesures à chaque fis et n calculera les myennes. Les vitesses sernt mesurées en m/s et les distances d arrêt D en cm. PIERRON 2008 Energie Cinétique - Sécurité Rutière (page 5)

6 L 1 = 6,5 cm L 2 = 25 cm L 3 = 62 cm V 1 = 0,58 m/s D 1 = 6,0 cm V 2 = 1,10 m/s D 2 = 24,5 cm V 3 =1,65 m/s D 3 = 57,0 cm V 1 = 0,57 m/s D 1 = 6,0 cm V 2 = 1,10 m/s D 2 = 25,0 cm V 3 =1,65 m/s D 3 = 62,0 cm V 1 = 0,59 m/s D 1 = 6,0 cm V 2 = 1,09 m/s D 2 = 24,5 cm V 3 =1,63 m/s D 3 = 60,0 cm V 1 = 0,58 m/s D 1 = 7,5 cm V 2 = 1,10 m/s D 2 = 26,0 cm V 3 =1,65 m/s D 3 = 57,5 cm V 1 = 0,58 m/s D 1 = 7,5 cm V 2 = 1,10 m/s D 2 = 24,0 cm V 3 =1,64 m/s D 3 = 57,0 cm V 1my = 0,58 m/s D 1my = 6,6 cm V 2my = 1,10 m/s D 2my =24,8 cm V 3my = 1,65 m/s D 3my = 58,7 cm En vus aidant des résultats présentés dans le tableau ci-dessus, rayer, dans les deux phrases ci-après les prpsitins fausses parmi celles prpsées en italiques - Lrsque V 2my = 2 V 1my, D 2my est inférieur, égal, supérieur à 2 D 1my - Lrsque V 3my = 3 V 1my, D 3my est inférieur, égal, supérieur à 3 D 1my Frmuler maintenant une cnclusin en cmplétant les phrases de l encadré ci-dessus avec les termes «grande, vitesse, imprtantes, prprtinnelle, imprtante» Cnclusin : Pur une masse dnnée, plus la vitesse du charit est grande, plus la distance d'arrêt est imprtante, et dnc plus les cnséquences du chc snt imprtantes. Cependant la vilence du chc n'est pas prprtinnelle à la vitesse. B : Cmment la vitesse intervient-elle dans la vilence du chc prduit par un véhicule en muvement heurtant un bstacle? À partir du tableau de mesures du 2.A, cmpléter le tableau ci-dessus (V 1my ) 2 = 0,34 (m/s) 2 (V 2my ) 2 = 1,21 (m/s) 2 V 1my ) 2 = 2,72 (m/s) 2 D 1my = 6,6 cm D 2my = 24,8 cm D 3my = 58,7 cm Cmpléter maintenant le tableau ci-après et cmparer le rapprt (V 2my ) 2 /(V 1my ) 2 avec le rapprt D 2my /D 1my. Faire de même avec le rapprt (V 3my ) 2 /(V 1my ) 2 et le rapprt D 3my /D 1my. (V 2my ) 2 /(V 1my ) 2 = 3,6 D 2my /D 1my = 3,8 (V 3my ) 2 /(V 1my ) 2 = 8,0 D 3my /D 1my = 8,9 Frmuler une cnclusin en cmplétant les phrases de l encadré ci-dessus avec les termes «imprtante, grande, carré, prprtinnelle, vitesse» Cnclusin : Pur une masse dnnée, plus la vitesse du charit est grande, plus la distance d'arrêt est imprtante, dnc plus les cnséquences du chc snt imprtantes. La vilence du chc est prprtinnelle au carré de la vitesse du véhicule. PIERRON 2008 Energie Cinétique - Sécurité Rutière (page 6)

7 À masse cnstante, l'énergie cinétique d un véhicule en muvement est dnc prprtinnelle au carré V 2 de la vitesse V de ce véhicule, et cmme elle est aussi prprtinnelle à sa masse cmme l a mntré l activité 1, n peut écrire : Ec = ½.m.V 2. Cette frmule mntre bien que la vitesse est la cause principale de la gravité des accidents. Ceci est à retenir impérativement pur sauver des vies. EXERCICE D APPLICATION : Calculer en jule l'énergie cinétique Ec = ½.m.V 2 d'un véhicule lancé à la vitesse V = 54 k m/h et ayant une masse m = 2 tnnes. (Attentin aux unités légales) E c = 1/2.m.V 2. m = 2 t = kg V= 54 km/h = 15 m/s E c = 0, (15) 2 = J=225 kj. Calculer sa distance de freinage D F, dnnée par la relatin D F = V 2 /20k. k est un cefficient de frttement dépendant de l'état de la rute et des pneus. Prendre k = 0,7 crrespndant à un revêtement myen sec. D F = 225/14 = 16,1m La distance de freinage étant prprtinnelle au carré de la vitesse, calculer la distance d'arrêt quand celle-ci atteint 108km/h D F = 64,4m car la vitesse étant multipliée par 2, la distance de freinage le sera par 4, Il ne faut pas ublier qu'il cnvient d'ajuter à D F la distance D R parcurue pendant le temps de réactin du cnducteur que l n peut estimer à 1 secnde, sit : D R = 15 m à 54 km/h u D R = 30 m à 108 km/h. Ce qui dnne pur la distance d arrêt D A = D R + D F : - à 54 km/h, D A = 16, = 31,1 m - à 108 km/h, D A = ,4 = 94,4 m. PIERRON 2008 Energie Cinétique - Sécurité Rutière (page 7)