De l'Effort à la Lumière : La Dynamo de Vélo en Action
Pédaler pour éclairer : comment ça marche ?
L'énergie ne se perd pas, elle se transforme ! C'est un principe fondamental en physique. Lorsque tu pédales sur ton vélo et que ta dynamo allume ta lampe, tu es en train de réaliser une conversion d'énergie. L'énergie musculaire que tu fournis en pédalant (énergie mécanique) est transformée par la dynamo en énergie électrique, qui est ensuite transformée par la lampe en énergie lumineuse (et un peu de chaleur). Dans cet exercice, nous allons calculer les énergies mises en jeu et comprendre la notion de rendement (ou efficacité) de cette conversion.
Mission : Analyser l'énergie produite par une dynamo de vélo
Informations et données :
Formules utiles :
Schéma : Conversion d'énergie par la dynamo de vélo
L'énergie mécanique du cycliste est transformée en énergie électrique par la dynamo, qui alimente la lampe.
Questions à résoudre
- Qu'est-ce qu'une conversion d'énergie ? Cite les principales formes d'énergie impliquées dans le fonctionnement de la dynamo de vélo et de la lampe.
- Le cycliste pédale pendant \(30 \text{ minutes}\). Convertis cette durée en secondes.
- Calcule l'énergie électrique \(E_{\text{elec}}\) consommée par la lampe de \(3 \text{ W}\) pendant les \(30 \text{ minutes}\) de trajet. Donne ton résultat en Joules (J).
- La dynamo a un rendement \(\eta = 60\%\).
- Que signifie ce rendement de \(60\%\) ?
- Calcule l'énergie mécanique \(E_{\text{meca}}\) que le cycliste a dû fournir à la dynamo pour produire l'énergie électrique \(E_{\text{elec}}\) calculée à la question 3.
- Calcule la puissance mécanique moyenne \(P_{\text{meca}}\) développée par le cycliste pour faire fonctionner la dynamo pendant les \(30 \text{ minutes}\). Donne ton résultat en Watts (W).
- Sachant que le rendement est de \(60\%\), que deviennent les \(40\%\) restants de l'énergie mécanique fournie par le cycliste ?
Correction : De l'Effort à la Lumière
Question 1 : Conversion d'énergie et formes d'énergie
Réponse :
Une conversion d'énergie est la transformation de l'énergie d'une forme en une autre. L'énergie totale se conserve, mais elle peut changer de nature.
Les principales formes d'énergie impliquées ici sont :
Question 2 : Conversion du temps en secondes
Réponse :
Durée \(t = 30 \text{ minutes}\).
Comme \(1 \text{ minute} = 60 \text{ secondes}\) :
La durée est de \(1800 \text{ s}\).
Question 3 : Calcul de l'énergie électrique \(E_{\text{elec}}\)
Réponse :
On utilise la formule \(E_{\text{elec}} = P_{\text{lampe}} \times t\).
Données : \(P_{\text{lampe}} = 3 \text{ W}\), \(t = 1800 \text{ s}\) (calculé à la question 2).
L'énergie électrique consommée par la lampe est de \(5400 \text{ Joules (J)}\).
Question 4 : Rendement et énergie mécanique
Réponse a) Signification du rendement :
Un rendement \(\eta = 60\%\) signifie que \(60\%\) de l'énergie mécanique fournie à la dynamo par le cycliste est convertie en énergie électrique utilisable par la lampe. Les \(40\%\) restants sont "perdus", c'est-à-dire transformés en d'autres formes d'énergie non souhaitées (principalement de la chaleur due aux frottements internes de la dynamo).
Réponse b) Calcul de l'énergie mécanique \(E_{\text{meca}}\) :
On a \(\eta = \frac{E_{\text{elec}}}{E_{\text{meca}}}\). On cherche \(E_{\text{meca}}\), donc \(E_{\text{meca}} = \frac{E_{\text{elec}}}{\eta}\).
Données : \(E_{\text{elec}} = 5400 \text{ J}\), \(\eta = 60\% = 0,60\).
Le cycliste a dû fournir une énergie mécanique de \(9000 \text{ Joules (J)}\) à la dynamo.
Quiz Intermédiaire 1 : Si le rendement de la dynamo était de \(100\%\) (parfait, sans pertes), l'énergie mécanique fournie par le cycliste pour obtenir \(5400 \text{ J}\) d'énergie électrique serait de :
Question 5 : Puissance mécanique moyenne \(P_{\text{meca}}\)
Réponse :
On utilise la formule \(P_{\text{meca}} = \frac{E_{\text{meca}}}{t}\).
Données : \(E_{\text{meca}} = 9000 \text{ J}\) (calculé à la question 4b), \(t = 1800 \text{ s}\) (calculé à la question 2).
La puissance mécanique moyenne développée par le cycliste pour la dynamo est de \(5 \text{ Watts (W)}\).
(Note : C'est une puissance faible, correspondant uniquement à l'effort pour la dynamo, pas l'effort total pour faire avancer le vélo).
Question 6 : Énergie "perdue"
Réponse :
Si le rendement est de \(60\%\), cela signifie que \(100\% - 60\% = 40\%\) de l'énergie mécanique fournie par le cycliste n'est pas convertie en énergie électrique utile.
Cette énergie "perdue" est principalement transformée en énergie thermique (chaleur) à cause des frottements mécaniques à l'intérieur de la dynamo (roulements, contact du galet sur le pneu) et des pertes électriques internes (effet Joule dans les bobinages de la dynamo).
Calcul de l'énergie perdue : \(E_{\text{perdue}} = E_{\text{meca}} - E_{\text{elec}} = 9000 \text{ J} - 5400 \text{ J} = 3600 \text{ J}\). (Ou \(40\%\) de \(9000 \text{ J} = 0,40 \times 9000 = 3600 \text{ J}\)).
Quiz Intermédiaire 2 : Une éolienne transforme principalement :
Quiz Rapide : Testez vos connaissances (Récapitulatif)
1. L'énergie se mesure en :
2. Une dynamo de vélo est un exemple de convertisseur qui transforme principalement :
3. Si un appareil a une puissance de \(10 \text{ W}\) et fonctionne pendant \(100 \text{ secondes}\), l'énergie consommée est de :
Glossaire
- Énergie
- Capacité à effectuer un travail ou à produire un changement. Unité SI : Joule (J).
- Énergie Mécanique (\(E_{\text{meca}}\))
- Énergie liée au mouvement (énergie cinétique) et/ou à la position dans un champ de force (énergie potentielle).
- Énergie Électrique (\(E_{\text{elec}}\))
- Énergie associée au courant électrique.
- Énergie Lumineuse
- Énergie transportée par la lumière.
- Énergie Thermique (Chaleur)
- Énergie liée à l'agitation désordonnée des particules (atomes, molécules) d'un corps.
- Conversion d'Énergie
- Transformation de l'énergie d'une forme en une autre (ex: mécanique en électrique).
- Puissance (\(P\))
- Vitesse à laquelle l'énergie est transférée ou convertie. Unité SI : Watt (W). \(P = E/t\).
- Watt (W)
- Unité de puissance. \(1 \text{ Watt} = 1 \text{ Joule par seconde}\) (\(1 \text{ W} = 1 \text{ J/s}\)).
- Joule (J)
- Unité d'énergie.
- Dynamo (ou Générateur)
- Appareil qui convertit l'énergie mécanique en énergie électrique.
- Rendement (\(\eta\))
- Rapport entre l'énergie utile obtenue et l'énergie fournie lors d'une conversion d'énergie. Il est souvent exprimé en pourcentage. \(\eta = (E_{\text{utile}} / E_{\text{fournie}}) \times 100\%\). Il est toujours inférieur à 100% à cause des pertes.
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