Exercices Physique Chimie

Distance d’arrêt, énergie cinétique et sécurité

Physique : Sécurité Routière - Distance d'Arrêt et Énergie Cinétique

Sécurité routière : distance d'arrêt, énergie cinétique et sécurité

Contexte : L'anticipation, clé de la sécurité

Imaginez que vous conduisez tranquillement lorsqu'un obstacle surgit sur la route. Pour vous arrêter, il ne suffit pas d'appuyer sur les freins. Il y a d'abord un temps de réaction pendant lequel la voiture continue d'avancer à la même vitesse : c'est la distance de réaction. Ensuite, une fois les freins actionnés, la voiture parcourt une certaine distance avant de s'immobiliser : la distance de freinage. La somme des deux est la distance d'arrêt. Cette distance dépend crucialement de la vitesse, car plus on va vite, plus on accumule d'énergie cinétique, une énergie qu'il faudra "dissiper" par le freinage. Cet exercice explore ces notions vitales pour la sécurité de tous.

Remarque Pédagogique : Comprendre la physique derrière la distance d'arrêt n'est pas qu'un simple exercice scolaire. C'est une compétence citoyenne essentielle. Réaliser que doubler sa vitesse ne double pas, mais quadruple (voire plus) sa distance d'arrêt, peut changer radicalement notre comportement sur la route et sauver des vies.

Objectifs Pédagogiques

  • Distinguer distance de réaction, distance de freinage et distance d'arrêt.
  • Calculer une distance de réaction.
  • Calculer l'énergie cinétique d'un véhicule.
  • Utiliser l'énergie cinétique pour déterminer la distance de freinage.
  • Comprendre l'influence de la vitesse sur la distance d'arrêt.

Données de l'étude

Une voiture, de masse \(m = 1200 \, \text{kg}\), roule à une vitesse de \(v = 50 \, \text{km/h}\). Le conducteur, attentif, a un temps de réaction de \(t_r = 1 \, \text{s}\).

Schéma de la Distance d'Arrêt
🚗 🌲 Distance de Réaction (Dr) Distance de Freinage (Df)

Données :

  • L'énergie cinétique se calcule par : \(E_c = \frac{1}{2} \times m \times v^2\)
  • La distance de freinage \(D_f\) est liée à l'énergie cinétique \(E_c\) et à la force de freinage \(F\) par la relation : \(E_c = F \times D_f\).
  • On supposera que la force de freinage moyenne sur route sèche est constante et vaut \(F = 6000 \, \text{N}\).

Questions à traiter

  1. Convertir la vitesse de la voiture en mètres par seconde (\(\text{m/s}\)).
  2. Calculer la distance de réaction (\(D_r\)) de la voiture.
  3. Calculer l'énergie cinétique (\(E_c\)) de la voiture.
  4. En déduire la distance de freinage (\(D_f\)).
  5. Calculer la distance d'arrêt totale (\(D_a\)) de la voiture.
  6. Question Bonus : Si la voiture roulait à \(100 \, \text{km/h}\), la distance d'arrêt serait-elle simplement doublée ? Justifier sans forcément refaire tous les calculs.

Correction : Sécurité routière : distance d'arrêt, énergie cinétique et sécurité

Question 1 : Conversion de la vitesse

Principe :
50 km/h ÷ 3,6 13,9 m/s

Pour utiliser les formules de physique avec des unités cohérentes (mètres, secondes, kilogrammes, Newtons, Joules), il est impératif de convertir la vitesse, donnée en \(\text{km/h}\), en \(\text{m/s}\), l'unité du Système International.

Remarque Pédagogique :

Point Clé : C'est un réflexe à acquérir. Avant tout calcul, on vérifie que toutes les données sont dans les bonnes unités. Oublier cette étape est l'une des sources d'erreur les plus fréquentes en physique.

Formule(s) utilisée(s) :

Pour passer des \(\text{km/h}\) aux \(\text{m/s}\), on divise par 3,6.

Donnée(s) :
  • Vitesse \(v = 50 \, \text{km/h}\)
Calcul(s) :
\[ \begin{aligned} v (\text{en m/s}) &= \frac{v (\text{en km/h})}{3,6} \\ &= \frac{50}{3,6} \\ &\approx 13,89 \, \text{m/s} \end{aligned} \]
Points de vigilance :

Ne pas multiplier ! On divise par 3,6 pour passer des km/h aux m/s. Une vitesse en m/s est toujours un nombre plus petit que la même vitesse en km/h.

Le saviez-vous ?

Pourquoi 3,6 ? Parce qu'il y a 1000 mètres dans 1 kilomètre et 3600 secondes dans 1 heure. Donc 1 km/h = 1000 m / 3600 s = 1 / 3,6 m/s.

FAQ en rapport avec la question :
Doit-on toujours arrondir ?

Il est préférable de garder la valeur la plus précise possible (par exemple la fraction 50/3.6) pour les calculs intermédiaires et de n'arrondir qu'à la toute fin, pour le résultat final. Cela évite d'accumuler des erreurs d'arrondi.

Résultat : La vitesse de la voiture est d'environ \(13,9 \, \text{m/s}\).

Question 2 : Calcul de la distance de réaction (\(D_r\))

Principe :
🚗 t = 0 s t = 1 s Vitesse constante

Pendant le temps de réaction, le conducteur n'a pas encore freiné. La voiture continue donc son mouvement à vitesse constante. La distance parcourue est simplement le produit de la vitesse par le temps.

Remarque Pédagogique :

Point Clé : Cette distance est incompressible et dépend de l'état du conducteur. La fatigue, l'alcool, les drogues ou l'utilisation du téléphone augmentent dramatiquement le temps de réaction, et donc cette distance "perdue" avant même de commencer à freiner.

Formule(s) utilisée(s) :
\[ D_r = v \times t_r \]
Donnée(s) :
  • Vitesse \(v \approx 13,89 \, \text{m/s}\)
  • Temps de réaction \(t_r = 1 \, \text{s}\)
Calcul(s) :
\[ \begin{aligned} D_r &= 13,89 \times 1 \\ &\approx 13,9 \, \text{m} \end{aligned} \]
Points de vigilance :

Utiliser la bonne vitesse ! Il faut impérativement utiliser la vitesse en \(\text{m/s}\) et non en \(\text{km/h}\) pour que le calcul soit homogène avec le temps en secondes et donne un résultat en mètres.

Le saviez-vous ?

Une astuce simple pour estimer la distance de réaction en mètres est de multiplier par 3 le chiffre des dizaines de la vitesse en km/h. Pour 50 km/h, on fait 5 x 3 = 15 m. Pour 90 km/h, 9 x 3 = 27 m. C'est une approximation très proche de la réalité pour un temps de réaction de 1 seconde.

FAQ en rapport avec la question :
Le temps de réaction est-il toujours de 1 seconde ?

Non, 1 seconde est une moyenne pour un conducteur en bonne forme et attentif. Ce temps peut facilement monter à 2 secondes ou plus en cas de fatigue, de distraction (téléphone) ou sous l'emprise de l'alcool, ce qui double la distance de réaction !

Résultat : La distance de réaction est d'environ \(13,9 \, \text{m}\).

Question 3 : Calcul de l'énergie cinétique (\(E_c\))

Principe :
🚗 Énergie liée au mouvement

L'énergie cinétique est l'énergie que possède un objet du fait de son mouvement. Elle dépend de sa masse et, surtout, du carré de sa vitesse. C'est cette énergie que les freins devront dissiper pour arrêter la voiture.

Remarque Pédagogique :

Point Clé : Le terme \(v^2\) est fondamental. Il signifie que si vous doublez votre vitesse, vous ne doublez pas votre énergie cinétique, vous la quadruplez (\(2^2=4\)). Si vous la triplez, vous la multipliez par neuf (\(3^2=9\)) ! C'est la raison physique pour laquelle les excès de vitesse sont si dangereux.

Formule(s) utilisée(s) :
\[ E_c = \frac{1}{2} \times m \times v^2 \]
Donnée(s) :
  • Masse \(m = 1200 \, \text{kg}\)
  • Vitesse \(v \approx 13,89 \, \text{m/s}\)
Calcul(s) :
\[ \begin{aligned} E_c &= \frac{1}{2} \times 1200 \times (13,89)^2 \\ &= 600 \times 192,9 \\ &\approx 115741 \, \text{J} \end{aligned} \]

On peut aussi l'exprimer en kilojoules (kJ) pour plus de lisibilité : \(115,7 \, \text{kJ}\).

Points de vigilance :

Ne pas oublier le carré ! Une erreur fréquente est de calculer \(\frac{1}{2}mv\) au lieu de \(\frac{1}{2}mv^2\). Pensez bien à mettre la vitesse au carré avant de multiplier par la masse.

Le saviez-vous ?

L'énergie de \(115,7 \, \text{kJ}\) est suffisante pour soulever cette même voiture de 1200 kg à près de 10 mètres de hauteur ! C'est toute cette énergie qui doit être transformée en chaleur par les freins pour que la voiture s'arrête.

FAQ en rapport avec la question :
Si une moto et une voiture roulent à la même vitesse, ont-elles la même énergie cinétique ?

Non. Même si leur vitesse \(v\) est identique, l'énergie cinétique dépend aussi de la masse \(m\). La voiture, étant beaucoup plus massive que la moto, aura une énergie cinétique bien plus importante et nécessitera donc une plus grande distance de freinage.

Résultat : L'énergie cinétique de la voiture est d'environ \(115 \, 741 \, \text{J}\) (ou \(115,7 \, \text{kJ}\)).

Question 4 : Calcul de la distance de freinage (\(D_f\))

Principe :
🚗 Force de freinage

Pour arrêter la voiture, il faut dissiper toute son énergie cinétique. Le travail des forces de freinage (la force multipliée par la distance sur laquelle elle s'applique) est le mécanisme qui permet cette dissipation (principalement sous forme de chaleur). À l'arrêt, toute l'énergie cinétique a été "consommée" par le travail des freins.

Remarque Pédagogique :

Point Clé : C'est ici que l'on voit le lien direct entre énergie et distance. Plus il y a d'énergie à dissiper (\(E_c\)), plus la distance de freinage (\(D_f\)) sera longue pour une même force de freinage (\(F\)).

Formule(s) utilisée(s) :
\[ E_c = F \times D_f \quad \Rightarrow \quad D_f = \frac{E_c}{F} \]
Donnée(s) :
  • Énergie cinétique \(E_c \approx 115741 \, \text{J}\)
  • Force de freinage \(F = 6000 \, \text{N}\)
Calcul(s) :
\[ \begin{aligned} D_f &= \frac{115741}{6000} \\ &\approx 19,3 \, \text{m} \end{aligned} \]
Points de vigilance :

La force de freinage n'est pas toujours la même ! Le calcul est fait pour une route sèche. Sur route mouillée, la force de freinage est beaucoup plus faible, et la distance de freinage augmente donc considérablement pour la même énergie cinétique de départ.

Le saviez-vous ?

Les freins d'une Formule 1 sont si puissants qu'ils peuvent générer une force de freinage supérieure à 50 000 N et transformer l'énergie cinétique en chaleur si rapidement que les disques de frein en carbone peuvent rougir et atteindre plus de 1000 °C en quelques secondes.

FAQ en rapport avec la question :
D'où vient la force de freinage ?

Elle provient principalement du frottement entre les plaquettes et les disques de frein (ou les tambours) dans les roues. C'est ce frottement qui convertit l'énergie de mouvement en chaleur. Le frottement des pneus sur la route joue aussi un rôle crucial.

Résultat : La distance de freinage est d'environ \(19,3 \, \text{m}\).

Question 5 : Calcul de la distance d'arrêt totale (\(D_a\))

Principe :
Début Dr Df Da = Dr + Df

La distance d'arrêt est la distance totale parcourue entre le moment où le conducteur voit l'obstacle et le moment où le véhicule est complètement immobile. C'est la somme de la distance parcourue pendant la réaction et de celle parcourue pendant le freinage.

Remarque Pédagogique :

Point Clé : C'est la seule distance qui compte en situation réelle d'urgence. Connaître sa distance de freinage est inutile si on oublie d'y ajouter la distance de réaction, qui est souvent non négligeable.

Formule(s) utilisée(s) :
\[ D_a = D_r + D_f \]
Donnée(s) :
  • Distance de réaction \(D_r \approx 13,9 \, \text{m}\)
  • Distance de freinage \(D_f \approx 19,3 \, \text{m}\)
Calcul(s) :
\[ \begin{aligned} D_a &= 13,9 + 19,3 \\ &= 33,2 \, \text{m} \end{aligned} \]
Points de vigilance :

Arrondir à la fin. Pour un calcul plus précis, il faut additionner les valeurs non arrondies : \(D_a = 13,888... + 19,29... = 33,178...\) qu'on arrondit à \(33,2 \, \text{m}\). L'arrondi précoce peut parfois introduire de petites erreurs.

Le saviez-vous ?

À 50 km/h, une voiture mesure environ 4,5 m de long. Une distance d'arrêt de 33,2 m représente donc plus de 7 longueurs de voiture ! Cela aide à visualiser l'espace énorme nécessaire pour s'arrêter, même à une vitesse considérée comme "modérée" en ville.

FAQ en rapport avec la question :
Cette distance est-elle la même pour tout le monde ?

Non, elle varie énormément. Elle dépend du conducteur (temps de réaction), du véhicule (qualité des freins, des pneus) et surtout de l'environnement (état de la route : sèche, mouillée, verglacée, pente...). Les calculs donnent un ordre de grandeur dans des conditions idéales.

Résultat : La distance d'arrêt totale est de \(33,2 \, \text{m}\).

Question 6 (Bonus) : Impact du doublement de la vitesse

Principe :
v 2v Dr Df Dr x2 Df x4

Nous devons analyser comment chaque composante de la distance d'arrêt évolue lorsque la vitesse double. La distance de réaction est proportionnelle à la vitesse (\(v\)), tandis que la distance de freinage est proportionnelle à l'énergie cinétique, et donc au carré de la vitesse (\(v^2\)).

Remarque Pédagogique :

Point Clé : C'est la conclusion la plus importante de l'exercice. La relation non-linéaire entre la vitesse et la distance d'arrêt est ce qui surprend le plus les conducteurs et cause le plus d'accidents. Comprendre l'effet du "carré de la vitesse" est fondamental.

Formule(s) utilisée(s) :
\[ D_r \propto v \quad \text{et} \quad D_f \propto E_c \propto v^2 \]
Donnée(s) :
  • La vitesse passe de 50 à 100 km/h (elle est doublée).
Calcul(s) :

Analyse qualitative :

  • Si la vitesse \(v\) double, la distance de réaction \(D_r = v \times t_r\) double aussi.
  • Si la vitesse \(v\) double, l'énergie cinétique \(E_c = \frac{1}{2}mv^2\) est multipliée par \(2^2\), elle quadruple.
  • Comme la distance de freinage \(D_f = E_c/F\) est proportionnelle à \(E_c\), elle quadruple également.
La nouvelle distance d'arrêt n'est donc pas simplement doublée. Elle est la somme d'une distance qui a doublé et d'une distance qui a quadruplé, elle sera donc bien plus que doublée.

Points de vigilance :

Intuition trompeuse. Notre cerveau a tendance à penser de manière linéaire ("je vais deux fois plus vite, je m'arrêterai en deux fois plus de distance"). La physique nous montre que cette intuition est fausse et dangereuse. C'est le rôle de la science de corriger nos intuitions.

Le saviez-vous ?

En cas de choc, l'énergie cinétique est brutalement absorbée par la déformation de la carrosserie. Un choc à 100 km/h libère quatre fois plus d'énergie qu'un choc à 50 km/h. Les conséquences d'un accident sont donc exponentiellement plus graves avec la vitesse.

FAQ en rapport avec la question :
Et sur route mouillée ?

Sur route mouillée, la distance de freinage est environ doublée. Si on combine cela avec une vitesse doublée (qui quadruple la distance de freinage), la distance de freinage à 100 km/h sur route mouillée peut être jusqu'à 8 fois plus grande qu'à 50 km/h sur route sèche !

Résultat : Non, la distance d'arrêt ne sera pas doublée. La distance de réaction double, mais la distance de freinage quadruple, donc la distance d'arrêt totale sera bien plus que doublée.

Simulation Interactive de la Distance d'Arrêt

Faites varier la vitesse et l'état de la route pour observer leur impact dramatique sur la distance d'arrêt totale.

Paramètres de Conduite
Distances Calculées
🚗
Distance de Réaction
Distance de Freinage
Distance d'Arrêt Totale

Pour Aller Plus Loin : Le Travail d'une Force

D'où vient la formule \(E_c = F \times D_f\) ? Elle vient d'un principe fondamental appelé le "théorème de l'énergie cinétique". Il dit que la variation de l'énergie cinétique d'un objet est égale à la somme des travaux des forces qui s'exercent sur lui. Le "travail" d'une force est l'énergie fournie (ou retirée) par cette force. Pour arrêter la voiture, le travail de la force de freinage (qui est négatif car il s'oppose au mouvement) doit être égal à l'opposé de l'énergie cinétique initiale. C'est une notion que vous explorerez plus en détail au lycée.

Le Saviez-Vous ?

La fameuse "distance de sécurité" de 2 secondes entre deux véhicules est conçue pour couvrir, au minimum, la distance de réaction et une petite marge. À 90 km/h (\(25 \, \text{m/s}\)), 2 secondes représentent 50 mètres. C'est la distance minimale pour avoir une chance de pouvoir réagir et freiner sans percuter le véhicule de devant.

Foire Aux Questions (FAQ)

L'état des pneus a-t-il un impact ?

Absolument. Des pneus usés ou sous-gonflés réduisent l'adhérence à la route. Cela diminue la force de freinage maximale \(F\) que l'on peut appliquer avant que les roues ne se bloquent et que la voiture ne dérape. Une force de freinage plus faible se traduit directement par une distance de freinage plus longue.

Pourquoi la distance de freinage augmente-t-elle sur route mouillée ?

L'eau agit comme un lubrifiant entre le pneu et la route, réduisant le coefficient de frottement. La force de freinage maximale possible est donc plus faible. Pour dissiper la même quantité d'énergie cinétique avec une force plus faible, il faut une distance plus grande (\(D_f = E_c / F\)).

Quiz Final : Testez vos connaissances

1. Un conducteur fatigué double son temps de réaction. Sa distance de réaction :

2. Pour une même vitesse, si la masse d'un camion est 10 fois supérieure à celle d'une voiture, sa distance de freinage (avec la même technologie de freins) sera :

Glossaire

Distance de Réaction (\(D_r\))
Distance parcourue par un véhicule entre le moment où le conducteur perçoit un danger et le moment où il commence à freiner. Pendant ce temps, la vitesse est constante.
Distance de Freinage (\(D_f\))
Distance parcourue par un véhicule entre le moment où le freinage commence et l'arrêt complet du véhicule.
Distance d'Arrêt (\(D_a\))
Distance totale nécessaire pour arrêter un véhicule. C'est la somme de la distance de réaction et de la distance de freinage (\(D_a = D_r + D_f\)).
Énergie Cinétique (\(E_c\))
Énergie que possède un corps en raison de son mouvement. Elle se mesure en Joules (\(\text{J}\)) et dépend de la masse et du carré de la vitesse.
Sécurité routière : distance d'arrêt, énergie cinétique et sécurité

D’autres exercices de physique 3 ème :

L’effet Doppler (introduction qualitative)
L’effet Doppler (introduction qualitative)

Physique : L'Effet Doppler (Introduction Qualitative) L'effet Doppler (introduction qualitative) Contexte : Le Son qui Change de "Voix" Vous avez tous déjà entendu le son d'une ambulance : la sirène semble plus aiguë lorsqu'elle s'approche, puis devient soudainement...

Propagation d’un signal : vitesse et retard
Propagation d’un signal : vitesse et retard

Physique : Propagation d'un Signal, Vitesse et Retard Propagation d'un signal : vitesse et retard Contexte : "Houston, on a un décalage !" Lorsque nous communiquons à distance, l'information est transportée par un signalPhénomène physique (onde, courant électrique)...

Caractéristiques d’une tension alternative
Caractéristiques d’une tension alternative

Physique : Caractéristiques d'une Tension Alternative Périodique Caractéristiques d'une tension alternative Contexte : Visualiser l'Invisible La tension électrique délivrée par les prises de courant n'est pas constante : elle varie au cours du temps. C'est une tension...

Évaluation de la Pollution Atmosphérique
Évaluation de la Pollution Atmosphérique

Évaluation de la Pollution Atmosphérique Évaluation de la Pollution Atmosphérique Contexte : La Pollution AtmosphériquePrésence dans l'air de substances nuisibles à la santé humaine et à l'environnement.. La surveillance de la qualité de l'air est un enjeu majeur de...

Vitesse de Propagation d’une Onde Sismique
Vitesse de Propagation d’une Onde Sismique

Vitesse de Propagation d’une Onde Sismique Vitesse de Propagation d’une Onde Sismique Contexte : L'étude des ondes sismiquesOndes qui se propagent à travers la Terre suite à un séisme, un glissement de terrain ou une explosion.. Lorsqu'un séisme se produit, il libère...

Temps et Vitesse pour un Parachutiste
Temps et Vitesse pour un Parachutiste

Temps et Vitesse pour un Parachutiste Temps et Vitesse pour un Parachutiste Contexte : La mécanique du vol. Un parachutiste saute d'un avion à haute altitude. Son mouvement est gouverné par deux forces principales : son poidsLa force de gravité exercée par la Terre...

Perturbation le long d’une corde
Perturbation le long d’une corde

Perturbation le long d’une corde Perturbation le long d’une corde Contexte : L'onde progressiveUne onde progressive est le phénomène de propagation d'une perturbation dans un milieu, sans transport de matière mais avec transport d'énergie.. Nous étudions une...

Principe d’incertitude de Heisenberg
Principe d’incertitude de Heisenberg

Exercice : Le Principe d'Incertitude de Heisenberg Le Principe d'Incertitude de Heisenberg Contexte : La dualité onde-corpuscule et les limites de la mesure. Au cœur de la mécanique quantique se trouve une idée contre-intuitive : les particules, comme les électrons,...

Application de la Loi de Gay-Lussac
Application de la Loi de Gay-Lussac

Exercice : Application de la Loi de Gay-Lussac Application de la Loi de Gay-Lussac : Pression dans un Pneu Contexte : La thermodynamique des gaz parfaits. Cet exercice illustre un principe fondamental de la thermodynamique à travers un exemple quotidien : la variation...

Production de l’électricité
Production de l’électricité

Physique : Production de l'électricité, Alternateurs et Centrales Électriques Production de l'électricité : alternateurs et centrales électriques Contexte : D'où Vient l'Électricité ? L'électricité qui arrive jusqu'à nos prises n'apparaît pas par magie. Elle est...

L’énergie électrique consommée
L’énergie électrique consommée

Physique : L'Énergie Électrique Consommée, Lecture d'une Facture L'énergie électrique consommée : lecture d'une facture Contexte : Décrypter sa Facture d'Électricité Chaque mois ou chaque bimestre, nous recevons une facture d'électricité. Ce document, parfois...

Sources d’énergie et leurs impacts
Sources d’énergie et leurs impacts

Physique : Les Sources d'Énergie et Leurs Impacts Environnementaux Les différentes sources d'énergie et leurs impacts environnementaux Contexte : Nos Besoins en Énergie et l'Avenir de la Planète Toutes nos activités quotidiennes, de l'éclairage de nos maisons au...

Conservation et conversion de l’énergie
Conservation et conversion de l’énergie

Physique : Conservation et Conversion de l'Énergie Mécanique (Chute Libre) Conservation et conversion de l'énergie mécanique (chute libre simple) Contexte : L'Énergie ne se Perd pas, Elle se Transforme Lorsqu'un objet tombe, sa vitesse augmente. Il gagne donc de...

L’Énergie Potentielle de Position
L’Énergie Potentielle de Position

Exercice : Énergie Potentielle de Position L'Énergie Potentielle de Position Contexte : L'Énergie stockée grâce à l'Altitude En physique, l'énergie potentielle de positionÉnergie qu'un objet possède en raison de sa position dans un champ de gravité. Elle dépend de sa...

L’énergie du mouvement
L’énergie du mouvement

Exercice : L'Énergie Cinétique L'énergie cinétique : l'énergie du mouvement Comprendre : L'énergie du Mouvement Tout objet en mouvement possède une forme d'énergie appelée énergie cinétiqueÉnergie que possède un corps du fait de son mouvement. Elle dépend de sa masse...

0 commentaires
Soumettre un commentaire

Votre adresse e-mail ne sera pas publiée. Les champs obligatoires sont indiqués avec *