SUJET BAC


1
Frottements, perte d’énergie et freinage





Doc. 3
Principe d’une voiture hybride

Une voiture hybride électrique associe en général un moteur électrique à un moteur thermique à essence pour permettre le mouvement. Le moteur électrique est réversible et permet une récupération d’une partie de l’énergie cinétique du véhicule lors du freinage du véhicule. Le freinage est dit régénératif, il permet de recharger les batteries de traction lors des ralentissements. L’énergie récupérée est exploitée pour déplacer le véhicule, permettant jusqu’à 25 % d’économie de carburant en diminuant d’autant les émissions de gaz polluants.

Donnée

  • 1 ch = 745,70 W.

Questions

1
Une voiture
1. Déterminer l’énergie cinétique que doit acquérir la voiture décrite pour atteindre la vitesse de 100 km·h-1.


2. Convertir en watt (W) la puissance de la voiture fournie par le constructeur.


3. En déduire la durée nécessaire à la voiture pour atteindre la vitesse de 100 km·h-1, en supposant qu’elle n’est soumise à aucun frottement.


4. En comparant cette durée avec celle que met réellement la voiture pour atteindre 100 km·h-1, identifier s’il y a conservation de l’énergie mécanique.


5. Calculer l’énergie perdue par la voiture à cause des frottements.


6. Sachant que pour fournir une énergie de 44,8 kJ, un moteur thermique doit brûler 1,0 kg de gazole, calculer la masse de gazole perdu à cause des frottements.


7. Lors du test de freinage effectué sur la voiture du doc. 2, calculer l’énergie dissipée par chaque frein en supposant une égale répartition des forces de freinage sur chaque roue.


8. Faire un schéma résumant quels types de transferts d’énergie sont mis en jeu dans une voiture hybride pour récupérer de l’énergie lors d’un freinage.
Couleurs
Formes
Dessinez ici

Supplément numérique

Doc
Loi de Coulomb

Les frottements solides peuvent être modélisés empiriquement par deux lois de Coulomb, dont la seconde s'applique aux frottements dynamique, c'est-à-dire lors d'un mouvement.

T=fN\text{T} = f \cdot \text{N}N\text{N} est la valeur de la réaction du support N\vec{N} et ff le coefficient de glissement. Ce coefficient dépend des matériaux mis en jeu, ainsi que de la surface des matériaux, rugueuse ou lisse.

Loi de Coulomb
Représentation des forces N\vec{N}, P\vec{P} et T\vec{T} agissant sur le skieur.

Questions supplémentaires

2
Un skieur
Un skieur de 75,4 kg, portant 8,5 kg de matériel de ski, arrive en bas d'une piste à une vitesse de 40 km·h‑1 et souhaite s'arrêter.

1. Calculer l'énergie cinétique que le skieur possède lorsqu'il glisse à 40 km·h-1.


2. On suppose que dans la partie basse, la piste est horizontale. Schématiser le skieur en représentant son poids, la réaction du support N\vec{N} et la force de frottement solide dynamique T\vec{T} à laquelle il est soumis.
Couleurs
Formes
Dessinez ici


3. Quelle est la relation entre P\text{P} et N\text{N} ? En déduire l'intensité de cette force de frottement T.\vec{T}.


4. Déterminer le travail que doit fournir cette force pour que le skieur s'arrête complètement.


5. En supposant que les frottements fluides de l'air sont négligeables devant le frottement solide du sol, calculer la distance nécessaire à l'arrêt du skieur.

Doc. 2
Quelques caractéristiques d’une voiture

PC.1.P1.BAC.Voiture-retouche


Une voiture citadine du commerce possède les caractéristiques suivantes :
  • masse : 1 200 kg ;
  • moteur : 110 ch ;
  • vitesse de pointe : 194 km·h-1 ;
  • couple : 240 N·m à 1 800 tr·min-1 ;
  • dimensions : 4 062 ×\times 1 731 ×\times 1 448 mm.

Un test effectué avec cette voiture indique qu’elle met 11 s pour atteindre 100 km·h-1 et qu’elle a besoin de 9,8 m pour s’arrêter si elle roulait à 50 km·h-1.

Doc. 1
Les frottements, une source de perte d’énergie

Lorsqu’une voiture se déplace, elle est ralentie par le frottement fluide de l’air, appelé ici force de traînée, ainsi que par les frottements du sol. Les molécules qui constituent l’air entrent en collision avec la voiture et les roues adhèrent plus ou moins au sol à cause des forces de contact entre les roues et le sol.

Une partie de l’énergie cinétique de la voiture est convertie lors de ces frottements en énergie thermique et finalement perdue par la voiture. Celle-ci doit alors fournir plus d’énergie pour atteindre une même vitesse. Ce qui est vrai ici pour une voiture l’est aussi pour un vélo, une fusée ou un skieur.
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