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Dans un deuxième temps ils établissent la formule de l'énergie cinétique en exploitant des vidéos de déformation d'un véhicule lors de chocs frontaux
Introduction au secours routier
L'énergie cinétique explique la violence des traumatismes subis par la victime. Elle Un choc frontal entre deux véhicules roulant en sens.
C
Chocs élastiques. VI. .1. Conservation de l'énergie cinétique. Si l'état de chacun des corps M1 et M2 ne change pas (masses conservées pas de déformation
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Tout «objet» en mouvement possède de l'énergie appelée énergie cinétique (Ec). L'airbag est une protection supplémentaire en cas de choc frontal violent ...
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En supposant un choc frontal avec la terre de masse M à l'arrêt (V = 0) et choc (élastique) nous assure que l'énergie cinétique de la boule se conserve.
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Figure 1 : Un véhicule en test de crash frontal participant à dissiper l'énergie cinétique du véhicule en cas de choc. C'est sur ces derniers.
LA TOLERANCE HUMAINE AU CHOC
l'énergie cinétique pour qu'il n'y ait pas fracture du choc frontal de la tête humaine contre une surface plane et indéformable.
Choc 50 km:h - 4è étage
5) Calcule à l'aide du tableur la vitesse de la bille pour ces points. 6) Calcule l'énergie cinétique Ec de la bille au cours de la chute. 7) Afficher les
S C I E N C E S P H Y S I Q U E S
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l'énergie appelée énergie cinétique (Ec) Cette énergie se manifeste surtout lors des échanges avec “ l'extérieur ” Lors d'un choc entre deux objets en mou
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Comment se transforme l'énergie cinétique lors d'un choc ?
La transformation de l'énergie cinétique lors d'un accident de la route. La conséquence directe d'un choc réside dans le fait qu'après l'impact, la vitesse passe instantanément à 0. Avant cela, toute l'énergie cinétique créée et stockée dans l'automobile en marche va contribuer à la déformer très rapidement.Comment calculer l'énergie d'un choc ?
Formule officielle. EC = ½ M X V².Comment calculer la force d'un choc frontal ?
Exemple : calculons la force qui s'est exercée sur une voiture de masse 1 500 kg ayant subi une décélération de 20 m.s-2 : F = 1 500 x 200 = 30 000 N Une force de même intensité s'est exercée sur la voiture percutée.- Les conséquences du choc dépendent de l'énergie cinétique : sa violence est d'autant plus importante que la masse et la vitesse sont élevées. Lors d'un choc, l'énergie cinétique du véhicule est dissipée par déformation de l'obstacle, du véhicule et transfert aux passagers.
Chapitre VI
Collisions
VI.a. Introduction
Nous étudierons au chapitre VII le mouvement de deux points matériels tout au long de leur interac-
tion. Dans le cas de deux corpsM1etM2quelconques (p.ex.deux solides ou deux particules dontl"énergie interne peut changer), ce qui se passependantl"interaction est généralement très complexe.
Nous nous contenterons d"étudier leur mouvementavantetaprèsl"interaction. Pendant les phases"avant» et "après», l"interaction entreM1etM2est négligeable(1). Notons~v1et~v2(resp.~v01et~v02) les
vitessesdescentresd"inertiedeM1etM2pendantlaphase"avant»(resp."après»). Plusgénéralement,
toutes les quantités relatives à la phase "après» porteront un prime. Nous considérerons deux types de phénomènes :Collision.M1etM2sont initialement loin l"un de l"autre. Après une brève interaction, ils s"éloi-
gnent à nouveau ( ~v01,~v02) ou restent attachés (~v01=~v02). On parle aussi dechoc.Explosion.M1etM2sont initialement attachés (~v1=~v2). Après l"explosion, ils s"éloignent l"un de
l"autre. On parle aussi dedésintégration.VI.b. Lois de conservation
Considérons un système isolé (pas de forces extérieures) (2)et plaçons-nous dans un référentielgaliléen,R. Le système étant isolé, il obéit aux trois lois de conservation suivantes :
conservation de la quantité de mouvement;
conservation du moment cinétique;
conservation de l"énergieinternedu système. Notonsm1etm2lesmassesdescorpsM1etM2,supposéesinchangéeslorsdelacollision. Nousferonsl"hypothèse que les corps sont ponctuels ou que la collision ne modifie pas le mouvement de rotation
des corps sur eux-mêmes. Nous ne nous intéresserons donc qu"au mouvement des centres d"inertiedeM1etM2et n"utiliserons pas la conservation du moment cinétique (cette loi serait en revanche utile
pour étudier le mouvement de rotation des corps; l"énergie cinétique de rotation devrait par ailleurs
être prise en compte dans l"énergie interne de chacun des corps). D"après la loi de conservation de la quantité de mouvement, ~p=~p0, soit m1~v1+m2~v2=m1~v01+m2~v02:
NotonsGle centre d"inertie du systèmefM1;M2g. On a~p=(m1+m2)~vG, donc~v0G=~vG.D"après la loi de conservation de l"énergie interne,U=U0. L"énergie interne de ce système vaut
U=12 m1v21+12 m2v22+U1+U2+Ep;1$212 (m1+m2)v2G;1. ... ou d"intensité constante siM1etM2sont attachés.2. Les résultats donnés ici sont également valables dans les deux cas suivants :
si le système est pseudo-isolé, c.-à-d.si les forces extérieures se compensent;si la durée de la collision est très brève, même en présence de forces extérieures, à condition d"appliquer les lois
de conservation entrejuste avantetjuste aprèsla phase d"interaction. 67Michel FiocDynamique des systèmesoùU1etU2sontlesénergiesinternesdescorpsM1etM2,etEp;1$2estl"énergiepotentielled"interaction(3)
entreM1etM2.DeU=U0et~vG=~v0G, on déduit que
12 m1v21+12 m2v22+U1+U2+Ep;1$2=12 m1v021+12 m2v022+U01+U02+E0p;1$2: L"énergie potentielle d"interactionEp;1$2entreM1etM2ne dépend que de la distancerentre lescorps. Elle tend rapidement vers une constante (généralement nulle par convention) quandrtend vers
1, donc
12 m1v21+12 m2v22+U1+U2=12 m1v021+12 m2v022+U01+U02; si les corps sont loin l"un de l"autre avant et après l"interaction (c .-à-d.~v1,~v2et~v01,~v02). Si les corps restent liés après l"interaction (c .-à-d.~v01=~v02B~v01;2), on a 12 m1v21+12 m2v22+U1+U2=12 (m1+m2)v021;2+U01+U02+E0p;1$2: Si, au lieu d"une collision, on a une explosion (c .-à-d.~v1=~v2B~v1;2), alors 12 (m1+m2)v21;2+U1+U2+Ep;1$2=12 m1v021+12 m2v022+U01+U02: La quantitéE0p;1$2ouEp;1$2porte dans ces deux derniers cas le nom d"énergie de liaison.VI.c. Chocs élastiques
VI.c.1. Conservation de l"énergie cinétique
Si l"état de chacun des corpsM1etM2ne change pas (masses conservées, pas de déformation nid"échauement), le choc est ditélastique: l"énergie cinétique(4)est alors conservée. La conservation
de l"énergie cinétique, exacte par exemple dans le cas de deux particules ne subissant pas de transition
énergétique, est généralement une bonne approximation dans le cas de deux solides élastiques.
La loi de conservation de la quantité de mouvement, m1~v1+m2~v2=m1~v01+m2~v02;
donne trois équations scalaires (une selon chaque axe :m1v1x+m2v2x=m1v01x+m2v02x, etc.) et la loi de conservation de l"énergie (cinétique, ici), 12 m1v21+12 m2v22=12 m1v021+12 m2v022; une équation, soit un total de quatre équations.Pour déterminer
~v01et~v02(trois composantes chacunes), il faudrait six équations. Seule l"étude dusystèmependantl"interaction pourrait fournir les deux équations manquantes. À défaut, il faut donner
deux paramètres supplémentaires pour résoudre le problème. Nous allons montrer dans ce qui suit
que, si l"on connaît la direction de ~v01(soit deux angles), on peut trouver sa norme puis~v02. Pour cette étude, il est plus commode de se placer dans le référentiel barycentrique du système. VI.c.2. Étude dans le référentiel barycentrique du système La vitesse deGdans le référentiel galiléenRest vG=m1~v1+m2~v2m 1+m2:v1,~v2et~vGsont donc dans un plan,P.3. L"énergie potentielle d"interaction et l"énergie interne ne dépendent pas du référentiel.
4. Pour être précis, il s"agit de la somme des énergies cinétiques macroscopiques de translation et de rotation.
68Chapitre VI. Collisions
De même,
v0G=m1~v01+m2~v02m 1+m2: v01,~v02et~v0Gsont donc aussi dans un plan,P0, en général diérent deP. Or ~vG=~v0G: les plansPetP0ont donc en commun la droiteDpassant par le point de rencontre entreM1etM2et dirigée selon~vG.Le référentiel barycentrique du système,R, est le référentiel en translation rectiligne à la vitesse~vG
par rapport àR. Il est donc ici galiléen. Indiquons par un astérisque les quantités dans le référentiel
R. On a~v1=~v1~vG; de même pour~v2,~v01et~v02.Dans le référentiel barycentrique, la conservation de la quantité de mouvement donne
m1~v1+m2~v2=~0=m1~v01+m2~v02(1)
et la conservation de l"énergie cinétique 12 m1v12+12 m2v22=12 m1v012+12 m2v022:(2)En exprimant
~v2(resp.~v02) en fonction de~v1(resp.~v01) à partir de l"équation (1) et en remplaçant dans l"équation (2), on obtient v01=v1etv02=v2:
Notons
~wB~v2~v1la vitesse deM2par rapport àM1. On a~wB~v2~v1=~w. D"après l"équation (1), w=~v2~v1= 1+m1m 2 v1= 1+m2m 1 v2=m1 ~v1=m2 ~v2; où=m1m2=(m1+m2) est la masse réduite. On obtient de même w0=m1 ~v01=m2 ~v02:Commev01=v1, on aw0=w.Z
Supposons connu le vecteur unitaire
~u01dirigé selon~v01, c.-à-d.ladirectionde~v01. Ceci revient à donner deux angles : l"angle("longitude») entre les plansPetP0; l"angleentre~vGet~v01. On a v01Bv01~u01=w0m1~u01et~v02=w0m
2~u01:
69Michel FiocDynamique des systèmesVI.c.3. Étude dans le référentielR
Dans le référentielR, on a
v01=~v01+~vGet~v02=~v02+~vG:On peut en déduire les angles1=(~vGb;~v01) et2=(~vGb;~v02). Notons~uxle vecteur unitaire dirigé
selon ~vGet~uyun vecteur unitaire du planP0perpendiculaire à~ux. On aOn obtient donc
v01cos1=w0m
1cos+vGetv01sin1=w0m
1sin:On en déduit que
tan1=sincos+m1vG=(w0):De même, de
v02cos2=w0m
2cos+vGetv02sin2=w0m
2sin; on déduit que tan2=sincosm2vG=(w0):VI.c.4. Cas particuliers
VI.c.4.a. CibleM2immobile avant la collision
On a alorsv2=0,w0=w=k~v2~v1k=v1etvG=m1v1=(m1+m2).
tan1=sincos+m1=m2: tan2=sincos1=2 sin(=2) cos(=2)2 sin2(=2)=1tan(=2); d"où2==2=2.Corps de même masse
tan1=sincos+1=2 sin(=2) cos(=2)2 cos2(=2)=tan(=2);
d"où1==2 :~v01et~v02sont donc perpendiculaires siv2=0 etm1=m2. On retrouve ce cas simplement à partir des lois de conservation v1=~v01+~v02etv21=v021+v022: En mettant la première équation au carré et en soustrayant la deuxième, on obtient ~v01~v02=0.VI.c.4.b. Choc frontal
On parle également de choc direct. Dans ce cas, les vitesses sont toutes colinéaires. On peut trouver
v01et~v02sans passer par le référentiel barycentrique. Notonsv 1,v 2,v 01etv02les vitessesalgébriquesselon
l"axe commun. La conservation de la quantité de mouvement donne m 1(v 1v01)=m2(v
02v 2) 70Chapitre VI. Collisions
et celle de l"énergie cinétique, m1(v21v021)=m2(v022v22);
soit m 1(v 1v 01)(v 1+v01)=m2(v
02v 2)(v 02+v 2):S"il y a eu une collision, (v
1;v 2),(v 01;v02). En divisant la dernière équation par la première, on
obtientv 1+v 01=v 2+v 02 puisv01=(m1m2)v
1+2m2v
2m 1+m2: Par symétrie, en échangeant les indices 1 et 2, on obtientv02=2m1v
1+(m2m1)v
2m 1+m2:On constate que sim1=m2, alorsv
01=v 2etv 02=v1: les vitesses deM1etM2ont été échangées. En
particulier, siM2est au repos avant le choc,M1est au repos après le choc etM2a la vitesse deM1 d"avant le choc (phénomène de "carreau»). Siv2=0 etm1m2,v
01 v 1etv020 :M1rebondit surM2avec la même vitesse, mais de sens
contraire, etM2reste immobile. Sim1m2,v 01v 1etv 022v1.
VI.d. Chocs inélastiques
VI.d.1. Dissipation de l"énergie cinétique
Lors d"un chocinélastique, une partie de l"énergie cinétique (au sens de la note no4) est dissi-
pée. L"énergie interne du système devant être conservée, la somme des énergies internes de chacun
des corps et de leur énergie potentielle d"interaction doit augmenter. Cette augmentation de l"énergie
non cinétique peut prendre plusieurs formes : chaleur (augmentation de la température des corps,
vaporisation), déformation, énergie de liaison... La quantité de mouvement reste en revanche toujours
conservée.On a les équations suivantes :
m1~v1+m2~v2=m1~v01+m2~v02;
12 m1v21+12 m2v22=12 m1v021+12 m2v022+U01+U02+E0p;1$2U1U2| {z } >0: Dans le référentiel barycentrique, la deuxième équation prend cette forme : 12 w2=12 w02+U01+U02+E0p;1$2U1U2:Cette équation ne présente d"intérêt que si la quantitéU01+U02+E0p;1$2U1U2est connue. Toute
autre quantité équivalente, p .ex.le coecient de restitution(5), =w0w 61;fait également l"aaire. On peut alors traiter le problème dans le référentiel barycentrique, puis dansR.
de l"énergie cinétique et des relations qui en découlent :w0=w,v01=v1etv02=v2.5. Le cas=1 correspond au choc élastique.
71Michel FiocDynamique des systèmesVI.d.2. Choc parfaitement mou Le cas=0 porte le nom dechoc parfaitement mou: on a alorsw0=0, c.-à-d.queM1etM2restent liés après la collision. D"après la conservation de la quantité de mouvement, v01=~v02=m1~v1+m2~v2m 1+m2:
On obtient bien que
E0cEc=12
(m1v021+m2v022m1v21m2v22)=m1m2(2~v1~v2v21v22)2 (m1+m2) =m1m2(~v1~v2)22 (m1+m2) est négatif.VI.e. Explosions
Le cas des explosions s"apparente à celui des chocs parfaitement mous, la diérence étant qu"une
partie de l"énergie non cinétique est transformée en énergie cinétique. On a v1=~v2=m1~v01+m2~v02m 1+m2; d"où E0cEc=12
(m1v021+m2v022m1v21m2v22)=m1m2(v021+v0222~v01~v02)2 (m1+m2) m1m2(~v01~v02)22 (m1+m2) est positif. ‡ VI.f. Section ecace ‡ VI.f.1. Angle solideConsidérons une sphère de rayonR. L"élément de surface d2Sde la sphère compris entre les longitudeset+d
et les colatitudeset+dvaut d2S=(Rsind)(Rd):
L"angle solideélémentaire correspondant à d2S, d2!Bd2S=R2, est indépendant du rayon de la sphère et vaut
d2!(; )=sindd:
L"angle solide d!compris entre les colatitudeset+dvaut d!()=Z 2 =0d2!(; )=2sind: L"angle solide!cône() du cône compris entre les colatitudes 0 etvaut cône()=Z0=0d!(0)=2(1cos):
L"angle solide couvert par la sphère toute entière correspond à=, soit sphère=4: ‡ VI.f.2. Sections ecaces diérentielle et totaleConsidérons un faisceau de particulesM1envoyées à la vitesse~v1contre une cible de faible épaisseur, constituée de
particulesM2immobiles (~v2=0). Un certain nombre de projectiles vont être déviés par les particules de la cible dans
la direction caractérisée par les angleset1. NotonsI1l"intensité du faisceau incident, c.-à-d.le nombre de particules
rencontrant la cible par unité de temps;n2le nombre de particules cibles par unité de surface de la cible; et d2N!(; 1)
le nombre de particulesM1déviées par unité de temps dans l"angle solide d2!(; 1).A priori, d
2N!/I1n2d2!.
72Chapitre VI. Collisions
On appellesection ecace diérentielledi(; 1) la quantité di(; 1)=d2N!I1n2d2!:
Cette quantité a la dimension d"une surface.
Le nombre dN1de particules déviées par unité de temps entre1et1+d1vaut dN1=Z 2 =0d2N!=Z 2 =0I1n2di(; 1) sin1d1d:Sidi(; 1) ne dépend pas de, c.-à-d.s"il y a symétrie de révolution autour de l"axeD, notonsdi(1)Bdi(;
1).On a alors
dN1=I1n2di(1)Z 2 =0sin1d1d=2I1n2di(1) sin1d1; d"où di(1)=12I1n2sin1dN1d1:On définit également lasection ecace totale
tot=NI 1n2; oùNest le nombre de particules déviées par unité de temps dans toutes les directions. ‡ VI.f.3. Application à la diusion entre noyauxConsidérons des noyaux d"atomesM1envoyés contre des noyauxM2au repos. La plupart des projectiles passent
loin des noyaux cibles. Certains passent cependant près d"une cible. NotonsDle paramètre d"impact correspondant et
l"angle de déviation dans le référentiel barycentrique. On rappelle (cf.§ VII.e.2.c.iii) que
tan 2 =Kv20D:La probabilitép(D) dDqu"un noyauM1ait un paramètre d"impact compris entreDetD+dDest proportionnelle à
2DdD. La probabilitép() dqu"il soit dévié entreet+d(dans le référentiel barycentrique) vaut
p() d=p(D)dDd d/dtan(=2) sin2(=2): On a dNd/p(); d"où di()/1sindNd/1sin4(=2):
On peut à partir de cette expression obtenir la section ecace diérentielle dans le référentielRplutôt que dansR.
73quotesdbs_dbs15.pdfusesText_21
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