- enseignement Catholique

HGT - SCG
Physique – UAA3
Fiche d’expérience 9
AUTEUR : Philippe Godts
Modélisation de collision
Objectif d’apprentissage
Mesurer les effets d’une collision avec du matériel simple,
permettant de mettre en évidence différents paramètres.
Cette fiche d’expérience complète la fiche d’investigation
« Analyse de collisions »
Matériel
Elastique pour la
fixation des lests
Modèle de véhicule à construire1 (Legos,…), latte en bois assez
lisse (environ 0,5 x 2 x 30 cm), morceau de tissu (essuie-main,
feutre…), élastiques, lests (cuillers…), balance de ménage,
mètre, planche de roulement muni d’un arrêt.
Procédure
1. Graduer la latte à partir d’une des extrémités (par exemple
tous les demi-centimètres en partant de 13 cm).
Morceau
de tissu à
rabattre
sur la
latte
2. Assembler le véhicule en y plaçant la latte enroulée dans le
morceau de tissu. Le tissu doit suffisamment enserrer la
latte pour qu’on puisse encore juste la faire glisser en la
tenant fermement.
3. Disposer la planche de roulement de telle manière qu’elle ait
une inclinaison suffisante (plus de 45 ° par rapport à
l’horizontale).
Placer le véhicule en position basse
(l’extrémité de la latte contre l’arrêt de la planche de
roulement et mesurer la hauteur entre l’extrémité de la latte
et le sol.
h
h0
Les roues devront présenter le moins de frottement possible, tant au niveau du contact avec la surface de roulement qu’au
niveau des axes.
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4. Déterminer par pesée la masse m du véhicule (lest compris).
5. Glisser la latte jusqu’à la marque « zéro », puis placer le véhicule
sur la planche de roulement de telle manière que l’extrémité de la
latte soit à la hauteur désirée h plus la hauteur h0. Laisser rouler
le véhicule jusqu’à ce que la latte percute l’arrêt et mesurer
l’enfoncement d de la latte.
6. Reproduire la mesure pour la vérifier.
7. Changer la hauteur ou la masse du véhicule en y fixant fermement
des lests à l’aide d’élastiques.
On lit ici un
enfoncement
de 4,3 cm
8. Calculer pour chaque hauteur la vitesse de percussion en
supposant que toute l’énergie potentielle s’est transformée en
énergie cinétique (𝑣 = √2𝑔ℎ).
Exemples de résultats
m = 132 g
m = 318 g
m = 463 g
h(cm) v(m/s) d(cm) h(cm) v(m/s) d(cm) h(cm) v(m/s) d(cm)
10
1,4
0,4
10
1,4
0,5
10
1,4
0,9
20
2,0
0,8
20
2,0
1,0
20
2,0
2,2
40
2,8
1,2
40
2,8
2,5
40
2,8
5,5
60
3,5
1,5
60
3,5
3,8
60
3,5
9,1
80
4,0
2,0
80
4,0
5,9
80
4,0
Il apparaît nettement dans ces résultats que l’enfoncement augmente tant avec la masse du véhicule
qu’avec sa vitesse. De plus, on peut voir que quand la vitesse est doublée, l’enfoncement est bien
plus que doublé (il est en moyenne multiplié par quatre).
Remarques pour le professeur
La méthode utilisée ici pour donner au véhicule une vitesse reproductible est de le faire descendre
une certaine dénivellation h sur un plan incliné. Cette méthode pose plusieurs problèmes, qui
pourront éventuellement être discutés avec les élèves :



La situation peut sembler étonnante pour les élèves car on donne au plan incliné une inclinaison
qui ne se présente jamais dans la réalité : la plupart du temps, les véhicules se déplacent sur
terrain plat.
En réalité, la dénivellation véritable devrait tenir compte de l’enfoncement d, puisque le véhicule
descend en tout d’une hauteur d + h. Mais ceci ne change pas de manière significative les
valeurs des vitesses obtenues.
Les frottements de roulement sont ici très importants et ne sont pas indépendants de la masse du
véhicule. C’est pour cela que l’enfoncement n’est pas directement proportionnel à la masse. On
peut éviter ces frottements en laissant tomber le véhicule en chute libre sur une planche.
Variante
Placer la planche de roulement horizontale lancer le véhicule à la main, et effectuer la mesure de la
vitesse de percussion à l’aide d’un capteur (fourche optique, capteur de mouvement…).
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Développements attendus principalement visés
Pour un processus donné, décrire les différentes formes d’énergie présentes et les transformations en cours (C3).
Dans une situation de la vie courante, l’élève identifie les formes d’énergie impliquées parmi les suivantes :
nucléaire, chimique, mécanique (potentielle élastique, potentielle gravifique et cinétique), lumineuse, électrique,
thermique. En outre, il identifie les transformations en cours.
Estimer les valeurs d’énergie mécanique associées à des situations concrètes (C4).
Sur base de données numériques (de hauteur, de vitesse, de masse…), l’élève calcule des énergies.
Mesurer les pertes d’énergie dans une transformation énergétique correspondant à une situation donnée (A5).
Dans le cadre d’une expérience, l’élève détermine la quantité ou la fraction d’énergie mécanique initiale dispersée
dans l’environnement.
Déterminer la variation d’énergie cinétique d’un objet dans un processus donné (A6).
Dans une situation donnée, calculer le lien entre la variation de vitesse d’un objet et le transfert d’énergie qu’il
subit (T2).
L’élève prévoit la variation de vitesse d’un objet en utilisant la conservation de l’énergie mécanique ou le travail
de la force résultante subie par l’objet.
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