TPE sur les impacts

Travaux Personnels Encadrés Les Impacts __________________________________________________________________________________________________________ Thème spécifique : Matière et forme Axe de recherche : Mouvement de la matière et forme Sommaire Introduction I) Rappels physique, mathématique et chimique sur les impacts------------------Page.4 1) Les énergies à l'origine de l'impact--------------------------------------------------Page.4 a)Énergie cinétique-----------------------------------------------------------------------Page.4 b) Énergie potentielle-------------------------------------------------------------------- Page.5 c)Énergie mécanique--------------------------------------------------------------------- Page.6 2) Théorie de l'impact-------------------------------------------------------------------- Page.6 3) Le contact de Hertz------------------------------------------------------------------- Page.7 4) Le module de Young------------------------------------------------------------------ Page.8 II) Application des études--------------------------------------------------------------- Page.9 1) Les inventions humaines------------------------------------------------------------- Page.9 2) La sécurité routière------------------------------------------------------------------ Page.10 3) Un exemple ludique----------------------------------------------------------------- Page.13 III) Mousse polyuréthane / Manipulation------------------------------------------- Page.15 IV) Étude d'un impact /Manipulation------------------------------------------------ Page.19 1) La force des énergies à dissiper lors du contact -------------------------------- Page.19 2) Les études des ondes produites lors du choc------------------------------------- Page.26 3) Conclusion sur la manipulation---------------------------------------------------- Page.30 Conclusion------------------------------------------------------------------------------- Page.31 Médiagraphie-----------------------------------------------------------------------------Page.32 Introduction Un impact est la collision entre deux solides. Etudier les impacts c'est prévoir les conséquences d'un choc sur un objet et tenter d’éviter la fracture ou la fissure de celui-ci. La question principale est comment réduire les conséquences d'un impact ? Répondre à cette question implique des notions de physique à propos des forces et des énergies, des notions de mathématiques dans la modélisation des contacts, des notions de chimie dans l’étude des matériaux en jeu et enfin des notions de biologie dans l'étude des conséquences des impacts sur les êtres vivants. De nos jours, ils sont très étudiés, en particulier, pour prévoir les accidents de véhicules motorisés et en réduire la gravité, dans la médecine du travail et de prévention pour améliorer l’ergonomie des postes de travail, dans la médecine d’urgence en traumatologie ou encore, bien sur, dans les industries de hautes technologies. Paradoxalement, ces recherches reposent sur les bases physiques qui ont été édictées il y a plusieurs siècles par les pionniers de la physique et des mathématiques modernes comme Isaac Newton. Après des rappels physique et mathématique et un éclairage des principales applications humaines, nous avons tenté de nous intéresser aux deux versants du problème. Dans un premier temps, l’étude des matériaux en jeu à travers la mousse polyuréthane et deuxièmement l’approche physique des impacts au moyen des expériences en camera slow-motion. I)Rappels physique, mathématique et chimique sur les impacts 1) Les énergies à l'origine de l'impact. A) ENERGIE CINETIQUE Tout objet en mouvement possède une énergie cinétique qui dépend de la masse de l'objet et de sa vitesse. Cette énergie cinétique sera donc plus importante si l'objet est «lourd» ou s’il se déplace vite. - Deux balles de tennis identiques, l'une allant à 100km/h et l'autre à 200km/h n'ont pas la même énergie cinétique à cause de leur vitesse qui est différente. - Une balle de tennis allant à 100km/h et un ballon de football allant à 100km/h n'ont pas la même énergie cinétique car leur masse est différente.  L'énergie cinétique est le témoin du mouvement de l'objet et de l'effort qui a été réalisé pour le faire passer de l'état de repos à l'état de mouvement. L'énergie cinétique se calcule avec la formule suivante : EC=1/2 mv2 EC est l'énergie cinétique et elle est exprimée en Joule (J), m est la masse de l'objet exprimée en kilogramme (kg) et v est sa vitesse exprimée en mètre seconde (ms-1). Cette énergie cinétique est à rapprocher de la loi de conservation de la quantité de mouvement qui est le produit de la masse et de la vitesse. Un corps en mouvement sera d’autant plus difficile à freiner ou arrêter qu’il est lourd ou qu’il va vite. Ces notions découlent en fait de la deuxième loi de Newton. Cette dernière déclare que la force F nécessaire pour fournir une accélération a à un objet de masse m est égale au produit de m et de a. C:\Users\genevieve\Desktop\213_c32fa9bb8c.jpg SIR ISAAC NEWTON B) ENERGIE POTENTIELLE L'énergie potentielle est une énergie liée à la position d'un corps dans un champ de force. On dit que c'est une énergie qui a le potentiel de se transformer en énergie cinétique. Prenons l'exemple d'un chariot en haut d'une montagne russe. Le chariot est placé en haut d'une descente, il va s'engager dans la pente en gagnant de plus en plus de vitesse, donc en gagnant de plus en plus d'énergie cinétique. Mais d'où le chariot a-t-il tiré son énergie ? C'est le poids du chariot qui a provoqué son mouvement vers le bas. Et c'est aussi le poids du chariot qui lui a fourni son énergie cinétique. Un chariot placé en haut d'une pente peut donc utiliser son poids pour acquérir de l'énergie cinétique, pour se mettre en mouvement. On dit qu'en haut de la pente, le chariot a une certaine énergie potentielle. Cette énergie potentielle ne dépend que de l'altitude. C'est une nouvelle forme d'énergie, liée à l'altitude : plus un objet est haut, plus en tombant, il peut acquérir d'énergie cinétique, donc plus il a d'énergie potentielle. Un objet qui ne "peut pas tomber plus bas" n'a pas d'énergie potentielle à dépenser. L'énergie potentielle se calcule donc avec cette formule : EP = mgh Joule EP est l'énergie potentielle et elle est exprimée en Joule (J), m est la masse de l'objet exprimée en kilogramme (kg), g est la constante gravitationnelle avec g = 9,81 m/s² et h est la hauteur de l'objet exprimée en mètre (m). William Rankine était un ingénieur et un physicien écossais (1820-1872), il a introduit le terme d'énergie potentielle en 1853. Attention cette énergie potentielle peut prendre plusieurs formes : énergie potentielle gravitationnelle comme dans notre exemple mais également énergie potentielle de compression d’un ressort, etc. ENERGIE MECANIQUE L’énergie totale (cinétique, potentielle, électrique, thermique) d’un système isolé est invariante au cours du temps. L’énergie peut uniquement se transformer. En mécanique classique, cette loi peut prendre une autre forme : la loi de conservation de l’énergie mécanique. L'énergie mécanique est constituée de la somme de l'énergie potentielle et de l'énergie cinétique. EM = EP+EC L'énergie mécanique d'un solide se conserve lorsque ce solide n'est soumis qu'à son poids ou quand les autres forces exercées sur lui peuvent être négligées devant son poids. C'est le modèle de la «chute libre». Lors de la chute libre d'un corps l'énergie de position se convertit en énergie cinétique. Cet exemple témoigne du lien qui existe entre ces deux énergies et illustre parfaitement le concept d'énergie mécanique. Cette expérience résume les données précédentes en montrant que l'énergie mécanique est constante et, plus l'énergie potentielle de pesanteur diminue, plus l'énergie cinétique augmente. Théorie de l'impact Lors d'un impact et de la chute précédent celui-ci plusieurs forces rentrent en jeu : -la force de gravitation -le frottement avec l'air mais on peut négliger cette force -la force lors du choc qui déforme l'objet -la force lors du choc qui produit de la chaleur (force dissipative) Lorsqu'on lance une balle sur le sol elle rebondit. Elle rebondit car elle est déformée ou plutôt comprimée lors de l'impact et lorsqu'elle reprend sa forme initiale cela crée une force de poussée sur le sol. Pourtant elle ne rebondit pas à la même hauteur que son point initial de chute. Cela voudrait-il dire de l'énergie a été perdu ? Non, c'est impossible, une partie de l'énergie a été  transformé en chaleur, c'est la force dissipative. C'est donc pour cela que quand on joue au basket où à la pelote basque on sent vraiment que la balle ou le ballon sont chauds à la fin de la partie. Chaque objet à aussi son coefficient de restitution, pour simplifier, c'est le nombre qu'on multiplie à la hauteur à laquelle la balle a été lâchée pour trouver la hauteur du rebond (on se base sur un objet sphérique et homogène sinon cela serait bien trop compliqué). Par exemple, le coefficient de restitution du ballon de basket est 0,76 et celui de la balle de criquet est 0,31. Si jamais son coefficient de restitution est égal à 1, alors, le rebond est aussi haut que le point de lancer. La balle pourrait donc continuer à rebondir pendant l'éternité si les conditions resteraient identiques. Il existe enfin deux catégories de choc : - Les chocs élastiques - Les chocs inélastiques Les chocs élastiques sont le cas où lors de l'impact il y a conservation de l'énergie cinétique. C'est à dire quand le coefficient de restitution est égal à 1. Notons que si un objet entre en collision avec un autre objet non fixe, son énergie cinétique peut se transmettre à l'autre objet. C'est le cas au billard quand une boule en frappe une autre et qu'elle avance à son tour. Les chocs inélastiques sont le cas où une partie de l'énergie cinétique est transformé en chaleur ou en déformation mécanique pouvant aller jusqu’à la fracture ou la fissure. Le contact de Hertz Il s’agit d’une tentative de mise en équation mathématique de différents types de contact. Pour notre étude nous nous concentrons sur le schéma théorique de l'enfoncement d'un matériel sphérique dans une surface plane. E:\PERSO\Travail\TPE\TPE Laurent\Capture shéma hertz.JPG Ce schéma représente un exemple de contact de Hertz, qui présente différentes caractéristiques bien précises : - un solide massif (=un solide compact) qui pousse sur une surface plane. - la déformation est négligeable en dehors de la zone de contact - le contact est non adhésif - il n'y a pas de frottement, pas d'effort tangentiel, pas de cisaillement lors du contact - il n'y a pas de mouvement relatif des deux solides Démontrons que P= E*a3/R où E est le module de Young qui illustre la rigidité de la structure sphérique et du plan, P l’énergie ou la force de pression, R le rayon de courbure de l’objet et a la mesure dépendant de la déformation dans la zone d’impact. U est l'énergie du système. Pour faire cette démonstration nous nous placerons dans le cas où U vaut 0 c'est à dire quand la boule a atteint son enfoncement maximum dans la surface. U = -Pδ+E(δ/a)²a3 et δ = a²/R La relation devient donc : 0 = -Pδ+E(δ/a)²a3 <=> Pδ = E(δ/a)²a3 <=> Pδ = (E* δ²*a3)/a2 <=> Pδ = E* δ²*a <=> P = E* δ*a on remplace δ par a²/R dans l’expression suivante <=> P = E*(a²/R)*a <=> P = E*a3/R La force ou énergie de pression dépend du module du Young des matériaux en jeu, de la déformation dans la zone de contact et du rayon de courbure de l’élément sphérique. Dans nos manipulations, P sera assimilé à l’énergie mécanique de l’objet qui chute. C:\Users\genevieve\Desktop\hertz_foto.jpg HEINRICH RUDOLF HERTZ Le module de Young Le module de Young est la constante qui relie la contrainte de traction et le début de la déformation d'un matériau élastique isotrope ( qui présente les mêmes propriétés physiques dans toutes les directions ) . Le module de Young est la contrainte mécanique qui engendrerait un allongement de 100 % de la longueur initiale d'un matériau (il doublerait donc de longueur), si l'on pouvait l'appliquer réellement : dans les faits, le matériau se déforme de façon permanente, ou se rompt, bien avant que cette valeur ne soit atteinte. Le module de Young c'est la pente initiale du diagramme de déformation-contrainte. Un matériau dont le module de Young est très élevé est dit rigide. L'acier, l'iridium, le diamant, sont des matériaux très rigides, l'aluminium et le plomb le sont moins, les matières plastiques et organiques, les mousses sont généralement peu rigides (= flexibles / souples). Application des études 1) Les inventions humaines Les gels silicones Nous avons seulement tenté de fabriquer de la mousse polyuréthane qui amortie les chocs mais il existe des gels de silicone qui amortissent beaucoup plus tel que le l'Alphagel , le Betagel ou le D3O mais tous ces produits sont protégés par des brevets. Ils sont le fruit de la haute technologie japonaise avec des processus de synthèse en plus de 30 étapes pour certains ! Par conséquent, nous n'avons pas pu les synthétiser. L'Alpha-Gel, appartient a une classe numérotée de gel "α". C'est un gel à base de silicium qui présente des très hautes capacités d'absorption des chocs, y compris les micro-vibrations et les vibrations basse-fréquence habituellement plus difficiles à atténuer. De plus , l'Alpha-Gel est résistant aux changements de température (-40 à +200 °C) et aux intempéries. Son utilisation est principalement destiné aux tremblements de terre. Il a notamment trouvé son utilité dans les constructions parasismiques. Au fur et à mesure de l'évolution de la fabrication et de l'expérimentation du gel "α", une seconde classe de gel numérotée par "β" (bêta), sept fois plus absorbante envers les chocs, a été développée : le Betagel. Ce dernier possède des propriétés étonnantes, en effet, il permet d'amortir à un tel point qu'on peut lâcher un œuf à une hauteur de 22 mètres sans qu'il se casse. Il est couramment utilisé dans les vêtements de protection et les chaussures de sport de la marque ASICS pour amortir les chocs au maximum afin de prévenir les traumatismes du pied. De nombreux fabricants automobile sont aussi intéressés par ce matériau. Une petite révolution qui pourrait bien sauver des vies si elle est bien utilisée, mais plus simplement, fabriquer des pare-chocs en coussins de Betagel éviterait d’avoir à les remplacer en cas de chocs, en plus de leur grande absorbance des chocs. D’autre part, il existe aussi le gel DO3. Ce gel a la capacité de durcir instantanément lors d’un choc violent. Grâce à la recherche active qui le concerne, ses propriétés pourraient être encore plus impressionnantes dans les années à venir. Il pourrait nous protéger mieux que jamais. La marque de voitures japonaises, Mazda, commence à travailler avec R&D et va bientôt commencer à tester ce matériel... Le trampoline Il tirerait ses origines du cirque. Ce serait une invention du groupe des trapézistes italiens, les « Due Trampoline». Ces artistes auraient utilisé le rebond de leur filet de protection pour effectuer des acrobaties. Toutefois, l'Américain George Nissen, professeur d'éducation physique et spécialiste de plongeon, mit au point le trampoline moderne dans les années 30 et le commercialisa. La discipline se développe en Amérique du Nord essentiellement dans les universités où des championnats sont organisés dés 1946. Il faudra attendre la fin des années 1950 pour voir le trampoline arriver en Europe. En ce qui concerne son fonctionnement, le trampoline est principalement constitué d’une toile horizontale fixée par des ressorts. Donc, lorsqu’une personne rebondit sur le trampoline, une énergie est emmagasinée par les ressorts. Cette énergie c’est l’énergie potentielle élastique. En effet, c’est l’énergie emmagasinée dans un corps à caractère élastique (dans ce cas, le ressort) lorsque ce dernier est compressé ou étiré par rapport à sa position naturelle. Lorsque la force comprimant ou étirant le ressort cesse, le corps tend naturellement à retourner à sa position naturelle et transforme ainsi son énergie potentielle en énergie cinétique. De plus, la toile du trampoline est elle aussi élastique et a des effets similaires à ceux des ressorts . On pourra comparer le trampoline au toile que tendent les pompiers pour faire évacuer les personnes en sautant par les fenêtres de l'immeuble en flammes. Le silent bloc Le silent bloc est le nom déposé par une marque de la société Belge Paulstra, longtemps appelé Paulstra-silent bloc mais qui maintenant est appelée Paulstra Vibrachoc. C'es une petite pièce qui fait la jointure entre deux éléments d'un système afin d'en minimiser les vibrations lors d'un choc. Il est utilisé principalement dans les véhicules motorisés. Le rôle du silent bloc est donc de réduire l'intensité des ondes émises lors des chocs qui s'opèrent dans le moteur pour ne pas détériorer les composants de la voiture et ne pas les user trop vite. Il est souvent composé de mousse polyuréthane que nous avons essayé de synthétiser. Les coussins d'airs Pour finir sur les inventions humaines , nous parlerons des coussins d'air qui sont très performant pour amortir les chocs. Ils sont très utilisé dans le cinéma pour tourner des scènes d'actions en faisant appel à des cascadeurs. Le temps d'impact y est très long , l'énergie cinétique est donc dissipée en douceur sur un temps important. Le sujet ne ressent donc presque aucune secousse ou douleur lors de l'impact. En outre , pour qu'il n'y ait pas de rebond, l'air s'échappe sur les côtés lors du contact , ce qui permet de s'enfoncer au maximum dans la surface . La sécurité routière La sécurité routière vise, de nos jours, à éviter les accidents de la route. Chaque année , le nombre de mort sur la route diminue . En effet , en 1972 il y avait eu 18 000 mort et on est passé à 3250 en 2013 . Nous nous sommes particulièrement intéressés à la sécurité routière car nous sommes inscrit dans la même auto-école et nous passons actuellement le Code de la route. Dans le cadre de notre TPE , nous allons étudier comment l'équipement des voitures et cyclomoteurs à permis de faire baisser ce nombre de mort. Ces équipements sont : Premièrement, le plus connu, la ceinture de sécurité. Au XIXe siècle, le pionnier de l'aéronautique George Cayley invente la première forme de ceinture de sécurité sur son planeur qui sera par la suite améliorée et utilisée sur les automobiles par l'initiative du colonel John Paul Stapp. C'est le 1er juillet 1973 qu'elle est devenue obligatoire dans les voitures sur les places avant. Lorsqu'un passager n'est pas attaché , son mouvement est indépendant de celui de la voiture. Par conséquent , lors de l'impact le véhicule stoppe son mouvement mais le conducteur continue d'avancer . C'est en fait l'illustration de la première loi de Newton nommé loi d'inertie. Cette loi est " Tout corps persévère dans l'état de repos ou de mouvement rectiligne uniforme si les force qui s'exercent sur lui sont nulles ". Le conducteur sera donc projeté violement vers l'avant. Nous allons maintenant étudier l'utilité de la ceinture de sécurité . Le but de la ceinture de sécurité est de décélérer l'individu occupant un véhicule lors d'un choc. Il ne sera donc pas projeté contre les obstacles de celui-ci à cause l'énergie cinétique qu'il a accumulé. En outre , il y a une différence entre une corde classique que l'on s'attacherait et la ceinture de sécurité . Grâce à elle , la décélération subit par le sujet n'est pas la même que celle subit par le véhicule . En effet , elle se déclenche lorsqu'une force importante est exercée sur elle mais elle n'immobilise pas directement le passager . Elle augmente sa tension dans le temps pour arriver au moment ou elle se bloque complètement et empêche le l'automobiliste d'avancer. Pour finir , vu que la ceinture n'est pas tout le temps collé à l'utilisateur ( vêtement trop large , mauvaise position...) ; elles sont équipées de pré-tendeurs qui permettent de plaquer l'usager sur le siège . Cette opération s'effectue en quelques millièmes de seconde. Surtout, elle augmente artificiellement la durée de l'impact ou du contact. Elle permet alors de distribuer dans le temps la force ou l'énergie et donc atténuer les conséquences sur le corps humain. Deuxièmement, il existe les airbags. Les deux principales entreprises qui ont commencé leurs expérimentations sur les dispositifs de retenue par coussins gonflables sont Ford et General Motorsbasés sur le brevet de 1953 de John Hetrick. Cependant, les premiers coussins gonflables ont été installés sur des voitures de production en 1973 notamment les Cadillac. Ils permettent de remédier au problème que pose la ceinture de sécurité . En effet quand la ceinture a fini son extension , elle se bloque ce qui provoque un choc. Le but des coussins gonflables est donc d'amortir le choc de l'individu lorsqu'il y a un accident. En cas de choc, un capteur mesure la décélération brutale et transmet l'information à un boîtier électronique. En fonction de la mesure effectuée, un signal électrique est envoyé vers les airbags. Ce signal est transmis au générateur de gaz qui gonfle l'airbag par explosion et détente de gaz comprimés. De plus, les airbags les plus récents adaptent la quantité de gaz envoyé en fonction de la violence de l'impact. Ensuite, lors du contact entre le conducteur et le coussin d'air , la pression du corps fait que le sac se dégonfle. Cela permet notamment d'éviter un effet de rebond et faciliter les mouvements dans l'habitacle, notamment l'accès des secours. Pour conclure sur l'airbag , il est efficace car il possède une surface de contact très grande et tout comme la ceinture de sécurité , il permet de répartir la force occasionné par le choc dans le temps . Troisièmement, parlons maintenant des pare-chocs. Au début de l'automobile , ils étaient de robustes pièces métalliques indéformables. Cependant, depuis peu, les pare-chocs présents dans les voitures sont devenus déformables. Ils sont en effet composés de matières plastiques . Cette évolution de la composition des pare-chocs permet de créer en quelque sorte des "voitures éponges" dont l'avant sera déformer lors d'un accident . Cela permet donc d'absorber l'énergie progressivement lors de l'impact. Ainsi, la voiture continuera à avancer un petit peu et l'énergie sera absorbée par les froissements de la taule et les pièces du moteur. D'autre part , l'élasticité de ce matériau permet au pare-choc de résister sans dommage à des impacts allant de 4 à 8 km/h . On peut donc en déduire que se sont en quelque sorte des matériaux à mémoire de forme car ils reprennent leur apparence d'origine après l'impact. Les pare-chocs se comportent donc comme des ressorts, ils emmagasine l'énergie cinétique, la transforme en énergie potentielle puis la restitue de nouveau en énergie cinétique quand ils reprennent leur forme initiale . Le but des concepteurs automobiles est d'augmenter au maximum l'énergie potentielle que peut recevoir le pare-chocs afin qu'il n'y est pas de cassures pendant l'impact et donc le moins de dégâts possible. Pour conclure, son rôle est d'augmenter le temps de collision afin de répartir la force exercée sur la voiture sur une plus longue durée et ainsi diminuer les conséquences de l'impact. Au contraire , l'habitacle reste ferme et résistant face aux chocs pour protéger les occupants de la voiture . Pour finir, nous parlerons des casques qui sont maintenant obligatoire lors de l'utilisation d'un deux roues motorisé . Il est important d’avoir une idée de l’anatomie de la tête pour comprendre le mécanisme des traumatismes crânio-cérébraux. Le cerveau se trouve dans une boîte crânienne rigide. Le cerveau « repose » sur les os qui forment la base du crâne. La moelle épinière passe par un orifice situé sur la face inférieure du cerveau. Autour du cerveau se trouvent les méninges composées de plusieurs membranes dont la dure-mère et contenant le liquide céphalorachidien qui protège le tissu cérébral de chocs mécaniques. Le cerveau « flotte » dans le liquide céphalorachidien, mais il ne peut bouger que d’un millimètre environ dans chaque direction. Lorsque la tête heurte une surface dure, elle cesse de bouger brusquement. Or, le cerveau, qui a sa propre masse, continu d'avancer jusqu'à ce qu'il heurte la paroi interne du crâne. Le résultat de ce type de blessure peut aller du traumatisme crânien mineur à un traumatisme crânien mortel. De plus, la surface de la tête pourrait également subir des coupures ou des bleus Le casque est conçu afin de minimiser ces chocs. Il fonctionne de trois façons : - Il réduit la vitesse de décélération au niveau de la boîte crânienne et, donc, le déplacement du cerveau. Le matériau souple intégré au casque absorbe en partie l’impact, ce qui fait que le mouvement de la tête s’arrête plus lentement. Cela signifie que le cerveau ne heurte pas le crâne avec autant de force. - Il répartit l’énergie de l’impact sur une plus grande surface, de sorte qu’elle ne se concentre pas sur des régions particulières du crâne. - Il empêche le contact direct entre le crâne et l’objet heurté en formant une barrière mécanique entre la tête et l’objet. Pour cela, le casque est composé de plusieurs parties : La coque Il s’agit de la surface extérieure rigide du casque qui distribue l’impact sur une grande surface et, donc, en atténue la violence avant qu’il atteigne la tête. Même si elle est résistante, la coque est conçue de manière à se comprimer en heurtant quelque chose de dur. Elle protège de la pénétration de petits objets tranchants se déplaçant à grande vitesse et protège aussi le rembourrage intérieur du casque. Ces exigences signifient que la coque doit être dure, généralement avec un revêtement extérieur lisse. Le rembourrage intérieur de protection Elle est en matière souple, rembourrée et déformable, en polystyrène expansé. Cette couche dense matelasse l’intérieur du casque et absorbe le choc quand celui-ci s’arrête et que la tête essaie de continuer d’avancer. Le rembourrage de confort Il s’agit d’une couche souple en mousse et tissu qui est en contact avec la tête, dont elle épouse la forme de façon confortable. Le système de rétention ou mentonnière Il s’agit du mécanisme qui maintient le casque sur la tête dans un accident. Une courroie est raccordée de chaque côté de la coque. Les mentonnières et les jugulaires, qui sont spécialement conçues pour maintenir le casque en place en cas de choc, doivent être utilisées correctement pour que le casque joue son rôle comme prévu. Résistance des fourmis face au choc Dans cette partie nous allons vous expliquer pourquoi une fourmi ne peut pas mourir suite à une chute. Il y a deux grandes raisons. La première raison qui ne traite pas des impacts se déroule lors de la chute et dérive une fois de plus des lois de Newton. En effet, la fourmi à une masse très faible, environ 15 mg. La force gravitationnelle exercée sur elle est donc faible. C'est une force dirigé vers le bas. De plus, il y a la résistance à l'air qui intervient pendant sa chute. C'est une force qui s’exerce en sens inverse vers le haut. Ainsi, la fourmi atteint sa vitesse maximale de chute au bout de seulement 1 cm ! Ces deux forces peuvent être illustrées par des vecteurs dans le schéma ci-dessous. Le vecteur R représente la résistance à l'air et le vecteur P représente la force d'attraction terrestre plus communément appelé gravité. La seconde raison est que la fourmi possède un exosquelette (squelette externe) composé de chitine . C'est une substance organique très résistante au choc. Le module de Young de la chitine est donc élevé. Cela lui permet donc de réduire la déformation mécanique sur ses organes internes. Pour conclure, les fourmis peuvent survivre à une chute de n'importe qu'elle hauteur sans même se blesser. D'une part parce que la force d'impact est faible compte tenu des conditions physiques propres à cet animal et d'autre part parce qu'elle possède un exosquelette résistant de part sa consistance chimique. Mousse polyuréthane Présentation : Dans le cadre de l'étude de matériaux dédiés à la minimisation des impacts, nous avons choisis le polyuréthane, polymère largement utilisé dans l'industrie et l'ingénierie, notamment pour la fabrication d'amortisseur (silentbloc, pare-choc). I) THEORIE 1) Polyuréthane C17H16O4N2 est de la mousse polyuréthane (molle) dont la formule semi-développée est : Le polyuréthane est un polymère composé de n motif ( représenté par et ) monomère polyuréthane . "n" correspond au degré de polymérisation. 2) Synthèse du polyuréthane Il est obtenu par une réaction de polymérisation mettant en œuvre des réactifs bifonctionnels tel que les dérivés diisocyanate et les diols. Pour notre expérience nous avons choisi les réactifs suivants : diisocyanate et l'éthylène glycol. Les molécules ont deux sites réactionnels qui peuvent réagir, on dit qu'elles sont bifonctionnelles . Cela permet de faire la réaction en chaine. La réaction met donc en jeu l'isocyanate et l'éthylène glycol. Voici les caractéristiques des réactifs : C15H10O2N2 qui est du 4,4’-diisocyanatodiphénylméthane aussi connu sous le nom de 4,4’-MDI dont la formule semi-développée est : Cette molécule porte le nom de 4,4’-diisocyanatodiphénylméthane car elle est composée de : - 4,4 correspond à l'emplacement des doubles liaisons covalentes dans la molécule. Deux groupes d’isocyanate de formule -N=C=O d’où la présence du préfixe « di ». Deux groupes phényle de formule d’où la présence du préfixe « di ». Ce groupe phényle signifie qu’il y a des doubles liaisons conjuguées qui peuvent s’arranger de deux manières différentes qui sont : ou d’où la présence du rond. Un groupe méthylène de formule CH2. La molécule est symétrique par rapport au groupe méthane. C2H6O2 est de l’éthylène-glycol aussi connu sous le nom d’éthane-1,2-diol dont la formule semi-développée est : II)EXPERIENCE 1) Consignes de sécurité : Les produits que nous avons utilisés ne sont pas anodins. En effet, ils sont dangereux pour la santé et leur utilisation n’est pas à prendre à la légère. Le 4.4’-MDI présente l’étiquetage suivant : ,, . De plus il est précisé qu’il est susceptible de provoqué le cancer, de graves irritations oculaires ; il est aussi nocif par inhalation et provoque des difficultés respiratoires. Pour l’utiliser, il est donc nécessaire de porter des gants, des lunettes, une blouse et il est impératif de le manipuler sous la hotte. L’ éthylène-glycol présente l’étiquetage suivant : . Il est précisé qu’il est nocif en cas d’ingestion. Il n’est donc pas nécessaire de le manipuler sous la hotte mais nous le faisons quand même puisque la réaction doit s’effectuer sous la hotte à cause du 4,4’-MDI. 2) Condition d'expérience : Nous n'avons pas trouvé de protocole écrit, clair et précis , sur internet. Nous avons envisagé de faire la théorie spontanément . Notre protocole expérimental est le suivant : Milieu du travail : Nous avons travaillé à température ambiante sous la hotte. Choix du solvant : Étant donné que le 4,4’-diisocyanatodiphenylmethane est solide à la température ambiante, nous l'avons donc dissout dans de l'acétone selon les indications de la fiche caractéristique du MDI. Temps de réaction : Selon les expériences vues sur internet le temps de réaction devrait être spontané. C'est à dire que les réactifs devraient directement réagir mais cependant la réaction serait finie après 1 ou 2 minutes . Matériel de laboratoire utilisé : Bécher, agitateur en verre, spatule, capsule, balance électronique. Nous voulons réaliser une réaction stœchiométrique en prenant le même nombre de moles pour chacun des réactifs. Nous avons prélever des quantités faibles de réactifs pour ne pas gaspiller ces derniers car nous voulions d'abord voir si la réaction fonctionnait avant de la reproduire à plus grande échelle. Nous avons donc pris 5 g de 4,4-MDI à l'aide d'une spatule et d'une balance. Utilisons la relation n=m/M pour connaître le nombre de moles prélevées . On sait que la masse molaire du 4,4’-diisocyanatodiphénylméthane est 250,26 g.mol-1 On pose : n=5/250,26 n=2*10-2 Nous voulons donc prendre le même nombre de moles d'éthylène-glycol. On sait que la masse molaire de l'éthylène-glycol est 62,07 g.mol-1.On utilise la relation m=n*M .On réalise donc le calcul suivant : m=2*10-2*62,07 m=1,24g Nous prenons donc 1,24g d' éthylène-glycol et 5 g de 4,4-MDI qui font 2*10-2moles dans les deux cas pour que la réaction soit stœchiométrique. 3) Suivi de l'expérience Equation chimique C15H10O2N2 (l) + C2H6O2 (l) ??C17H16O4N2(s) Etat du système Avancement x (mol) n(C15H10O2N2 ) n(C2H6O2) n( C17H16O4N2) Etat initial X=0 0,02 0,02 0 Etat intermédiaire X=x 0,02-x 0,02-x X Etat final X=xmax 0,02-xmax 0,02-xmax Xmax 4) Résultat de l'expérience et conclusion Malheureusement, notre expérience n'a pas fonctionné. Cela est du au fait que l'on aurait du utiliser du PMDI , produit similaire au MDI qui se trouve à l'état liquide à la température ambiante. La réaction aurait pu se réaliser avec du MDI mais entre 50 et 100°C. Nous avons observé la manipulation d'un autre groupe qui lui aussi a essayé de synthétiser de la mousse polyuréthane. Ce groupe a réussi à se procurer du PMDI. Il n'ont donc pas eu besoin d'utiliser de solvant et ont réussi à réaliser une réaction spontané comme celles étudiées sur internet. Nous nous sommes rendu compte après coup que l'acétone n'était pas un bon solvant. Il est en fait utilisé pour dissoudre les mousses polyuréthanes. Nous avons fait des recherches, les entreprises spécialisées dans la synthèse de mousse polyuréthane n'utilisent pas de solvant. Cependant, elles usent de catalyseurs, composés qui facilite la réaction. Ceci sont: les sels organométalliques, l'eau mais elle crée des réactions parasites tel que la formation de CO2. Le plus utilisé est le DABCO, amine tertiaire dont le nom chimique est 1,4- diazabicyclo (2.2.2) mais nous nous sommes aperçu que nous ne pouvions pas utiliser de DABCO car il était trop toxique (cancérigène) pour une utilisation dans un lycée. Pour conclure, nous pouvons dire que si la théorie de la réaction chimique est simple, les conditions expérimentales sont très précises. Étude d'un impact 1) La force des énergies à dissiper lors du contact Présentation de l'expérience : Dans notre deuxième manipulation , nous allons tester la faculté de différents matériaux à amortir plus ou moins les chocs et donc à limiter la déformation de l’objet lors de l'impact. Nous avons deux approches pour cette expérimentation , la première partie est identique . En effet , elle consiste a disposer divers matériaux sur le sol qui sont : - une plaque de carton - une plaque de polystyrène extrudé - une plaque de polystyrène expansé - une plaque de mousse - le sol en lui même ( carrelage ) La première expérience constituera à lâcher une boule de pâte à sel ( on peut facilement voir la déformation après l'impact ) d'une même hauteur et de masse équivalente afin d'observer les dommages subit par celle-ci et à en déduire les propriétés des différents matériaux. La deuxième expérience constituera à lâcher cette fois ci une balle de tennis sur ces matériaux. On ne pourra donc pas observer la déformation de la balle mais son rebond. Plus il sera haut, plus le matériau sera dur et n'absorbera pas les chocs, et plus le rebond sera bas plus le matériau sur lequel elle a rebondi absorbera les chocs. Ceci est du au fait que c'est la déformation de la balle de tennis lors de l'impact qui est à l'origine de la hauteur de son rebond ( se référer à la partie 2 du chapitre II ). Dans les deux cas , après le lâcher, nous calculerons l'énergie cinétique et potentielle qui a été dissiper lors de l'impact. Cela permettra de voir si nos résultats sont cohérents. Cependant , pour calculer l'énergie cinétique de la balle de tennis ou de la boule de pâte sel, nous avons besoin de connaître sa vitesse. Pour cela , nous filmerons la chute à l'aide d'un appareil permettant de filmer en slow motion ( film au ralenti). Ensuite, nous pourrons utiliser le logiciel Aviméca 2.7 qui nous permettra d'obtenir une chronophotographie de la balle de tennis et de la boule pâte à sel. Réalisation de l'expérience : Pâte à sel Ceci est une image tirée de la vidéo slow motion que nous avons réalisé avec l'appareil photo des labos du lycée capable de filmer à 480 images à la seconde. Comme vous pouvez le constater, cette image est de mauvaise qualité. En augmentant le nombre d'images par secondes, la photo a une résolution moindre. De plus, les pointillés blancs sont les positions successives de l'objet lâché (la pâte à sel dans ce cas) lors de sa chute avec un intervalle de 0,040 secondes. En outre, vous pouvez aussi voir un repère orthonormé qui a pour unité 1.00 mètre. Nous avons gradué ce repère grâce à la règle jaune figurante sur l'axe des ordonnés. Nous avons exploité les différentes positions de la balle de tennis et de la pâte à sel au court du temps afin de calculer sa vitesse juste avant l'impact dans le tableau ci-après. Ceci est le tableau de données de la pâte lors de sa chute. Sur chaque ligne , la position de la boule de la pâte à sel est indiquée. En effet, elle est repérée par l'axe des ordonnés qui indique sa hauteur en mètre et par l'axe des abscisses qui, lui, correspond au décalage latéral, ici, négligeable. Tout cela en fonction du temps en seconde . Nous savons que la vitesse v est égale à la distance divisée par le temps. Pour exprimer la vitesse, nous allons donc calculer la distance entre deux points du graphique et la diviser par l'intervalle de temps séparant le passage entre ces deux positions. Nous nous resservirons de la vitesse obtenue et de la masse qui est 246,44g soit 246,44*10-3kg, pour calculer l'énergie cinétique à dispenser lors de l'impact. Notons que nous avons seulement pris en compte les deux dernières lignes du tableau . Si nous avions calculer la vitesse en nous servant du premier point et du dernier nous aurions eu non pas la vitesse juste avant l'impact mais la vitesse moyenne de la chute . Nous utilisons donc la formule : vitesse = distance/ temps ( la distance correspond ici à la hauteur ) donc V= 0.285/0.040 V= 7.125 m/s Pour avoir un meilleur ordre d'idée nous allons convertir ce résultat en km/h. Pour cela , il suffit de faire un produit en croix . 1 m/s -------> 3.6km/h 7.125 m/s -------> ? Alors : V = (3.6*7.125)/1 V = 25.65 km/h En effet, 25,65 km/h correspond bien à la vitesse de la boule à vue d'œil. Maintenant , nous allons calculer l'énergie cinétique de la pâte à sel juste avant son impact. Pour cela nous utiliserons la formule suivante : Ec = 1/2*m*v² Ec = 1/2*246,44*10-3*7,125² Ec = 6,255 J L'énergie cinétique de la pâte à sel à hauteur nulle est de 6,255 Joules. Nous pouvons aussi calculer l'énergie potentielle de la balle au départ de la chute, lors du lâché. Ep = m*g*h Ep= 246,44*10-3*9,81*2,50 Ep= 6,043 J L'énergie mécanique est égale à l'énergie cinétique plus l'énergie potentielle. Lors du lâché, l'énergie potentielle est à son maximum tandis que l'énergie cinétique est égale à 0 car la vitesse est nulle ; c'est à ce moment que nous avons calculé l'énergie potentielle. Juste avant l'impact, l'énergie cinétique est à son maximum alors que l'énergie potentielle est nulle car la hauteur est égale à 0 ; c'est à ce moment que nous avons calculé l'énergie cinétique. Nous en déduisons alors que les deux valeurs calculées devraient être les mêmes. Ce n'est pas le cas. Cependant, elles sont relativement proches et vu que ce sont des valeurs expérimentales, on peut dire que nos résultats sont corrects. A la fin , nous avons donc comparé la déformation de la boule de la pâte à sel sur le sol et sur le carton qui sont en quelques sorte nos deux "extrêmes". Voilà les deux images : sur le cartonsur le carrelage Nous pouvons donc apercevoir à l'œil nu que sur la photo du carrelage, la pâte à sel est plus aplati . Elle a donc subi une déformation mécanique plus importante. Par conséquent le carton amortie plus que le carrelage. Balle de tennis : Nous allons donc réaliser les mêmes calculs sur la balle de tennis dont la masse est 57,63 g . V=d/t V=0.277/0.040 V= 6,925 m/s La vitesse en km/h est donc : V = 6,925*3,6 V= 24,93 km/h La balle a une masse inférieure à celle de la boule de pâte à sel, c'est donc normal que la vitesse de la balle soit inférieure à celle de la pâte. Calculons son énergie cinétique : Ec = 1/2*m*v² Ec= 1/2*57,63*10-3*6,925² Ec= 1,381 J Calculons son énergie potentielle : Ep= m*g*h Ep= 57,63*10-3*9,81*2,50 Ep= 1,413 J De même que pour la pâte à sel, les deux valeurs trouvés sont à peu près égales. Nous avons alors étudié la hauteur maximal du premier rebond de la balle de tennis sur les différentes surfaces : Sol : Hauteur du rebond : 1,30 m Carton : Hauteur du rebond : 0,85 m Polystyrène extrudé : Hauteur du rebond : 1,25 m Polystyrène expansé : Hauteur du rebond : 1,35 m Mousse quelconque : Hauteur du rebond : 0.92 m Nous sommes donc arrivés au classement du type de surface allant de la plus à la moins rigide : -polystyrène expansé -sol -polystyrène extrudé -mousse quelconque -carton 2) Les études des ondes produites lors d'un choc Cette partie du TPE est consacrée aux études des ondes qui sont produites par le choc d'un corps sur différentes matières. Pour étudier ces ondes, nous avons utilisé un sismomètre, instrument de mesure qui permet d'enregistrer l'intensité des ondes sismiques et d'avoir un graphique appelé sismographe. Nous l'avons placé sur les différentes matières sur lesquelles nous avons lâché la balle de tennis. Le sismomètre étant relié à un ordinateur, nous avons pu enregistrer l'intensité des ondes et leur durée. Sur les graphiques obtenus, l'axe des ordonnés est « gradué accélération en g ». Le g est le nom donné à la valeur de l'accélération que provoque la Terre sur les objets qu'elle attire à sa surface. Nous n'étudierons pas cette donnée car elle est difficilement mesurable. En outre, une marge d'erreur très grande est due à la distance entre le point d'impact et le sismomètre. En effet, si celle-ci varie d’à peine quelques centimètres , la force, elle, passe du simple au double. Tout d'abord, nous avons commencé par lâché la balle de tennis sur du carrelage. Le graphique obtenue est le suivant : On constate d'après ce graphique que le temps d'impact est 0,06 seconde. Pour le carton : On remarque que le temps d'impact est 0,14 seconde. Pour la mousse quelconque dont la structure se rapproche de celle de la mousse polyuréthane : Le temps d'impact est 0,10 seconde. Le graphique du polystyrène extrudé : Comme on peut le constater, le temps d'impact est de 0,07 seconde. Pour finir, nous avons lâché la balle de tennis sur du polystyrène expansé : Le temps d'impact est de 0,045 seconde. Pour conclure voici le classement des surfaces testés allant de la moins à la plus amortissante. Polystyrène expansé → 0,045 s Sol → 0,05 s Polystyrène extrudé → 0,07 s Mousse quelconque → 0,10 s Carton → 0,14 s Nous tombons sur les mêmes résultats dans cette parti que dans la partie précédente . 3) Conclusion sur la manipulation Le classement que nous avons obtenu est surprenant : nous avons vu que le polystyrène expansé été dur mais nous le pensions tout de même plus amortissant que le carrelage. De plus, nous constatons que le carton amortie plus que la mousse alors que nous présumions le contraire. Cependant, après quelques recherches, nous nous sommes aperçus de la véracité de notre conclusion. En effet, le 23 mai 2012, le parachutiste Gary Connery a atterri, à l'aide de sa combinaison ailée, sans parachutes sur des cartons alors que sa vitesse était de 200 km/h. Le choix du carton plutôt que celui de la mousse nous montre que celui-ci amortie mieux. Le facteur argent ne rentre pas en compte puisque ceux sont tous deux des matériaux peu onéreux. Surtout, nos différentes expérimentations montrent que plus le temps de contact est long lors de l'impact, moins les conséquences du choc sont violentes sur l'objet testé. En d'autre terme, plus le temps d'application des forces ou des énergies est élevé, plus la dissipation des énergies est étalé sur le repère temporel, plus on a une chance d'éviter d'atteindre le seuil de fracture ou de fissure de l'objet. Cette notion est fondamentale en accidentologie routière où en fait tous les systèmes convergent vers cette notion d'étalement dans le temps de la force ou de l'énergie de l'impact. Bien sur, la consistance intrinsèque des matériaux joue également un rôle fondamental expliquant les recherches permanentes sur les gels amortissants. Conclusion Ce modeste travail nous a permis d’aborder plusieurs éléments primordiaux à toutes expérimentations scientifiques. Premièrement, l’échec de notre manipulation en chimie nous rappelle la rigueur inhérente et nécessaire à tout travail de recherche. Deuxièmement, notre manipulation physique montre qu’il n’existe aucun résultat intuitif et que toute conclusion doit être prouvée et démontrée. Enfin, dans tous les cas, les bases théoriques sont indispensables mêmes si les concepts datent paradoxalement de plusieurs siècles. Ainsi, les découvertes d’Isaac Newton sont les piliers de la recherche en sécurité routière pour préserver un maximum de vie humaine. N’est ce pas un bel exemple de science fondamentale au service de l’homme ? Médiagraphie: Sur internet : Adresse : http://www.renault.com/fr/Innovation/au-service-de-la-securite/Documents_Without_Moderation/PDF%20SECURITE/AIRBARG.pdf Auteur : Renault Date : 16/01/14 Adresse : http://www.paulstra-industry.com/articulations-simples-p69-fr.html Auteur : Hutchinson Paulstra Date : 28/01/14 Adresse : http://www.molwick.com/fr/amour/235-acceleration-gravitationnelle.html Auteur : Molwick Date : 20/01/14 Adresse : http://www.larousse.fr/dictionnaires/francais/impact/41780 Auteur : Larousse Date : 15/01/14 Adresse : http://physique-chimie-college.fr/cours-mecanique-3eme/cm3_34-energie-mecanique.html Auteur : Physique-chimie au collège Date : 14/10/2013 Adresse : http://secouchermoinsbete.fr/39958-un-materiau-qui-amortit-a-l-extreme-les-chocs Auteur : frozen54 Date : 21/10/2013 Adresse : http://www.futura-sciences.com/magazines/espace/infos/personnalites/d/aeronautique-george-cayley-1058/ Auteur : Futura-sciences Date : 10/01/2014 Adresse : 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