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Lycée Les Pierres Vives Physique- Chimie
Premières S.T.I.2.D Thème : Habitat et vêtements revêtement
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Devoir surveillé n°5 (durée 1h)
Etude d’une formule 1
1ere partie : Etude énergétique d’un volant d’inertie d’une Formule 1
1. Déterminer l’énergie cinétique récupérable ECR lors d’un freinage de 240 km/h à 80km/h.
Effectuer l’application numérique.
Ecr correspond à la variation de l’énergie cinétique lors du freinage :
2 2 2 2
1 1 1 .
2 2 2
B
A B A B A
Ecr Ec mv mv m v v
A.N : 2 2 6
1 80 240
720. 1,42.10 1,42
2 3,6 3,6
Ecr J MJ
Remarque : cette énergie est bien négative car elle correspond à un freinage
Le moment d’inertie de l’ensemble des deux parties constituant le volant d’inertie (en acier et en
fibre de carbone)
est de J= 0,0776 kg .m2.
2. Déterminer la vitesse de rotation du volant d’inertie lorsque ce dernier a
emmagasiné l’énergie ECR. Effectuer l’application numérique et mettre le résultat en
rad/s puis en tr/min. Ce résultat est il cohérent avec la valeur donnée dans l’énoncé ?
On convertit cette énergie cinétique de translation en une énergie de rotation dans le volant
d’inertie
Donc
2 2
1.1 1
22 2
Ecr Ecr
Ec J Ecr
J J
A.N :
6
1
1,42.10
6054 .
1.0,0776
2
rad s
On convertit en tours par minute :
1
2. . 60. 60*6054
57814 .min
60 2. 2.
NN tr

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NB : dans la suite du devoir, on prendra g = 10 m.s-2
2 eme partie : Etude mécanique de la force motrice minimale
On considère la formule 1 de masse m = (voiture + pilote + reservoir plein)
initialement à l’arrêt sur une route plane et horizontale.
La mise en marche du moteur de ce véhicule transmet aux roues de celui-ci une force
de traction
m
F
supposée horizontale, appliquée (pour simplifier) au centre de gravité G
du véhicule et d’intensité Fm .
La réaction de la route sur l’ensemble du véhicule correspond à une force
R
d’intensité 8,3kN
et inclinée par rapport à la verticale d’un angle θ = 30°.
1. Déterminer à partir du document annexe page 5 la masse m de l’ensemble.
m = (voiture + pilote + reservoir plein) = 600+120 = 720kg
2. Donner les caractéristiques de chacune des forces agissant sur le véhicule et en faire la
Représentation sur le document ci dessous
G
document réponse 1
P
Fm
R

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Caractéristique
s
de
la force
P
R
Fm
Point d’application : En G Contact sol réduit en
un point Ramené en G
Direction ou droite
d’action : verticale inclinée par rapport à la verticale Horizontale
Sens : Vers le bas Vers le haut Vers la droite
Intensité (module) : P = m.g = 7200 N
R =
8,3kN
?
3. Justifier que dans la situation étudiée, les frottements de la route sur les pneus ne sont
pas négligés. Donner les caractéristiques de la force de frottement
f
correspondante à la
réaction de la route sur l’ensemble du véhicule et compléter la figure ci-dessous.
- Les forces de frottements sur le sol ne sont pas négligées car la réaction
R
n’est pas
perpendiculaire à la surface de contact, cela signifie que
R
peut se décomposer comme
suit :
N T N
R R R R f
,
N
R
représente la composante normale et
f
la composante
tangentielle ( donc modélise les frottements )
Caractéristique de
f
:
Point d’application : Contact sol réduit en un
point
Direction ou droite d’action : horizontale
Sens : opposée au sens de déplacement
Intensité (module) : f = R.Sin (θ) = 4150 N
y
x
R
f
Rn
θ

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4. En traçant le dynamique des forces ci dessous, déterminer les caractéristiques de
m
F
, de la
force de traction juste au moment du démarrage de la formule 1 .
Graphiquement on obtient : Fm = 4*1kN = 4 kN = 4000 N
5. Quelle doit être la valeur minimale
m
F
pour que le véhicule se mette en mouvement ?
Pour que la voiture avance , il suffit que la force Fm soit supérieure aux frottements , soit :
: Fm > f = R.Sin (θ) = 4150 N
6. En déduire la valeur du couple minimale sur l’une des deux roues arrières ( la formule 1 étant
une propulsion arrière)
-Moment d’un couple :
C
F. d (d distance séparant le couple de forces)
donc Cm = Fm. d = 4150 * 0,660 = 2739 Nm !!!!!!!!!
Echelle = 1 kN
G
P
Fm
R

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3 eme partie : Etude du freinage , élévation de la température des disques
On suppose que pour lors d’un freinage de 240 km/h à 80km/h , l’énergie reçue par les disques
est de Ereçue = 1,4MJ. ( on suppose que cette perte d’énergie cinétique est complètement
dissipée sous forme de chaleur)
1. Déterminer l’élévation de la température lors de ce freinage dans un des 4 disques des
roues de la voiture , Les freins sont en carbone.
On donne : Cp = 710 J.kg-1.K-1, poids d’un disque : 1,409kg
On rappelle que Q = m.C.
Si on suppose ( cas extrême) que toute l’énergie cinétique est transformée en chaleur on obtient
donc
6
1,4.10
Q m.C. 349
4 4.m.C 4*710*1,409
Ec Ec
C
On aura donc une élévation de température lors du freinage de 350 °C .
Disque
Ecr Q
Energie cinétique Chaleur
E / 4 =