L’énergie du mouvement
Tout objet en mouvement possède une énergie cinétique, celle qu’il a fallu pour le lancer et celle qu’il faut dissiper pour l’arrêter. Elle dépend de la masse et surtout de la vitesse :
Ec = ½ × m × v², en joules quand m est en kilogrammes et v en mètres par seconde.
Comme la vitesse est au carré, doubler la vitesse multiplie l’énergie par quatre. C’est toute la physique des distances de freinage, de la gravité des accidents et des dégâts de la grêle.
Les grandeurs associées
- Quantité de mouvement p = m × v, en kg·m/s. Elle se conserve lors des chocs.
- Hauteur de chute équivalente h = v² ÷ (2g) : la hauteur d’où il faudrait tomber pour atteindre la même vitesse, et donc subir le même choc. Elle ne dépend pas de la masse.
- Unités : 1 kJ = 1 000 J ; 1 Wh = 3 600 J ; 1 kcal = 4 184 J.
Exemple : une voiture de 1 300 kg à 50 km/h
- 50 km/h = 13,89 m/s.
- Ec = ½ × 1 300 × 13,89² = 125,4 kJ.
- Quantité de mouvement : 1 300 × 13,89 = 18 056 kg·m/s.
- Hauteur de chute équivalente : 13,89² ÷ 19,61 = 9,8 m. Un choc à 50 km/h équivaut à une chute du troisième étage, comme le rappelle la Sécurité routière.
Énergie à d’autres vitesses (même voiture)
| Vitesse | Énergie cinétique | Chute équivalente |
|---|---|---|
| 30 km/h | 45,1 kJ | 3,5 m |
| 50 km/h | 125,4 kJ | 9,8 m |
| 80 km/h | 321,0 kJ | 25,2 m |
| 90 km/h | 406,3 kJ | 31,9 m |
| 110 km/h | 606,9 kJ | 47,6 m |
| 130 km/h | 847,6 kJ | 66,5 m |
Passer de 80 à 90 km/h, soit 12,5 % plus vite, augmente l’énergie de 27 %. À 130 km/h sur autoroute, la voiture porte l’énergie d’une chute de 66 m, la hauteur d’un immeuble d’une vingtaine d’étages.
Quelques ordres de grandeur
| Objet | Masse | Vitesse | Énergie cinétique |
|---|---|---|---|
| Balle de tennis au service | 58 g | 200 km/h | environ 90 J |
| Coureur | 70 kg | 10 km/h | environ 270 J |
| Cycliste et vélo | 85 kg | 25 km/h | environ 2 kJ |
| Voiture | 1 300 kg | 130 km/h | environ 850 kJ |
Pourquoi c’est important sur la route
L’énergie que les freins doivent dissiper augmente comme le carré de la vitesse, et la distance de freinage aussi. Une voiture qui s’arrête en 14 m depuis 50 km/h a besoin d’environ 56 m depuis 100 km/h, sans compter la distance parcourue pendant le temps de réaction. Lors d’un choc, cette même énergie déforme les véhicules et les corps ; la ceinture et les zones de déformation la répartissent sur un temps plus long.