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Objectif de la simulation

La simulationcentrifugeusede FizziQ Web permet d’étudier lemouvement circulaireet les accélérations associées à une rotation.

Elle permet d’analyser :

  • le mouvement circulaire uniforme

le mouvement circulaire uniforme

  • l’accélération centripète

l’accélération centripète

  • l’accélération tangentielle

l’accélération tangentielle

  • l’influence de la vitesse de rotation

l’influence de la vitesse de rotation

  • l’influence du rayon

l’influence du rayon

  • le facteur g ressenti dans une centrifugeuse

le facteur g ressenti dans une centrifugeuse

Cette simulation génère des données exploitables dans lecahier d’expériencede FizziQ Web.

Ce que vous allez apprendre

À la fin de cette activité, vous saurez :

  • régler une vitesse de rotation

régler une vitesse de rotation

  • modifier le rayon d’une centrifugeuse

modifier le rayon d’une centrifugeuse

  • démarrer et arrêter une rotation

démarrer et arrêter une rotation

  • enregistrer automatiquement des données

enregistrer automatiquement des données

  • exporter les données vers le cahier d’expérience

exporter les données vers le cahier d’expérience

  • analyser des accélérations circulaires

analyser des accélérations circulaires

Durée estimée : 10 à 30 minutes

Niveau conseillé : Lycée

Fonction utilisée : Simulation physique

Ouvrir la simulation centrifugeuse

Étape 1 : Accéder aux simulations

  • Dans la barre latérale gauche, cliquer surExpérimenter

Dans la barre latérale gauche, cliquer surExpérimenter

  • Ouvrir la sectionSimulations

Ouvrir la sectionSimulations

  • SélectionnerSimulation centrifugeuse

SélectionnerSimulation centrifugeuse

La fenêtre affiche :

  • une centrifugeuse circulaire

une centrifugeuse circulaire

  • une capsule rotative

une capsule rotative

  • un panneau de paramètres

un panneau de paramètres

  • des boutons de contrôle

des boutons de contrôle

Régler les paramètres de la centrifugeuse

Avant de lancer une simulation, définir les conditions initiales.

Paramètre principal : vitesse de rotation (RPM)

La vitesse de rotation correspond au nombre de tours par minute.

  • Valeurs : 1 à 300 RPM

Valeurs : 1 à 300 RPM

  • Valeur par défaut : 60 RPM

Valeur par défaut : 60 RPM

Ce paramètre influence :

  • la vitesse angulaire

la vitesse angulaire

  • l’accélération centripète

l’accélération centripète

  • le facteur g

le facteur g

Ce paramètre peut être modifié :

  • avant le lancement

avant le lancement

  • pendant la rotation

pendant la rotation

Paramètre secondaire : rayon

Le rayon correspond à la distance entre le centre et la capsule.

  • Valeurs : 1 à 20 m

Valeurs : 1 à 20 m

  • Valeur par défaut : 10 m

Valeur par défaut : 10 m

Ce paramètre influence directement :

  • l’accélération centripète

l’accélération centripète

  • la durée d’accélération

la durée d’accélération

Le rayon peut être modifié uniquement lorsque la centrifugeuse est arrêtée.

Lancer une simulation

Dans la simulation centrifugeuse, la rotation est contrôlée avec les boutonsDémarreretArrêter.

Étape 1 : Démarrer la rotation

  • Régler les paramètres souhaités

Régler les paramètres souhaités

  • Cliquer surDémarrer

Cliquer surDémarrer

La centrifugeuse commence à tourner.

Pendant la rotation :

  • la vitesse augmente progressivement

la vitesse augmente progressivement

  • la capsule tourne autour du centre

la capsule tourne autour du centre

  • le facteur g augmente

le facteur g augmente

Étape 2 : Arrêter la rotation

  • Cliquer surArrêter

Cliquer surArrêter

La centrifugeuse ralentit progressivement.

Elle s’arrête ensuite complètement.

Enregistrer les données

Le boutonRECpermet d’enregistrer les données pendant la rotation.

Deux méthodes sont possibles.

Méthode 1 : Démarrer puis enregistrer

  • Cliquer surDémarrer

Cliquer surDémarrer

  • Cliquer surREC

Cliquer surREC

L’enregistrement commence immédiatement.

Les données sont enregistrées à partir de cet instant.

Cette méthode permet d’enregistrer seulement une partie du mouvement.

Méthode 2 : Enregistrer puis démarrer automatiquement

  • Cliquer surREC

Cliquer surREC

La centrifugeuse démarre automatiquement.

L’enregistrement commence immédiatement.

Cette méthode permet d’enregistrer toute la simulation.

Étape 3 : Arrêter l’enregistrement

Pour arrêter l’enregistrement :

  • Cliquer à nouveau surREC

Cliquer à nouveau surREC

À cet instant :

  • les données sont automatiquement exportées

les données sont automatiquement exportées

  • le cahier d’expérience s’ouvre

le cahier d’expérience s’ouvre

  • un graphique est créé automatiquement

un graphique est créé automatiquement

Ce fonctionnement correspond au mode standard des simulations FizziQ Web.

Comprendre les grandeurs physiques mesurées

La simulation calcule plusieurs grandeurs associées au mouvement circulaire.

Accélération centripète

L’accélération centripète correspond à l’accélération dirigée vers le centre.

Relation utilisée :

ac = ω² r

où :

  • ω est la vitesse angulaire

ω est la vitesse angulaire

  • r est le rayon

r est le rayon

Cette accélération est toujours dirigée vers le centre.

Elle augmente :

  • lorsque la vitesse augmente

lorsque la vitesse augmente

  • lorsque le rayon augmente

lorsque le rayon augmente

Accélération tangentielle

L’accélération tangentielle correspond à la variation de vitesse.

Elle est :

  • positive pendant l’accélération

positive pendant l’accélération

  • négative pendant la décélération

négative pendant la décélération

  • nulle à vitesse constante

nulle à vitesse constante

Sa valeur est fixée à :

± 1 g (9,81 m/s²)

Facteur g

Le facteur g représente l’intensité de l’accélération ressentie.

Relation utilisée :

g-force = ac / 9,81

Il indique combien de fois la gravité terrestre est ressentie.

Observer la rotation

Pendant la simulation, plusieurs éléments visuels apparaissent.

Vous pouvez observer :

  • la rotation de la capsule

la rotation de la capsule

  • les flèches d’accélération

les flèches d’accélération

  • le facteur g affiché

le facteur g affiché

  • le temps écoulé

le temps écoulé

Ces éléments facilitent la compréhension du mouvement circulaire.

Export automatique des données

À la fin d’un enregistrement, les données sont envoyées automatiquement vers lecahier d’expérience.

Aucune action supplémentaire n’est nécessaire.

Les données apparaissent sous forme :

  • d’un tableau

d’un tableau

  • d’un graphique

d’un graphique

Les grandeurs disponibles sont :

  • Temps (s)

Temps (s)

  • Accélération centripète (m/s²)

Accélération centripète (m/s²)

  • Accélération tangentielle (m/s²)

Accélération tangentielle (m/s²)

Ces données peuvent être analysées dans les tableaux standards de FizziQ Web.

Exploiter les données dans le cahier d’expérience

Une fois exportées, les données peuvent être analysées.

Actions possibles :

  • tracer l’accélération centripète

tracer l’accélération centripète

  • comparer plusieurs rotations

comparer plusieurs rotations

  • analyser les phases d’accélération

analyser les phases d’accélération

  • ajouter une grandeur calculée

ajouter une grandeur calculée

  • modifier le graphique

modifier le graphique

Ces manipulations utilisent les outils standards du cahier d’expérience.

Activités pédagogiques recommandées

Activité 1 : Étudier l’effet de la vitesse

  • Fixer le rayon à 10 m

Fixer le rayon à 10 m

  • Faire varier la vitesse

Faire varier la vitesse

  • Observer l’accélération centripète

Observer l’accélération centripète

Objectif :

Montrer que l’accélération dépend du carré de la vitesse.

Activité 2 : Étudier l’effet du rayon

  • Fixer la vitesse

Fixer la vitesse

  • Faire varier le rayon

Faire varier le rayon

  • Comparer les accélérations

Comparer les accélérations

Objectif :

Observer que l’accélération dépend du rayon.

Activité 3 : Étudier les phases d’accélération

  • Démarrer la rotation

Démarrer la rotation

  • Enregistrer les données

Enregistrer les données

  • Observer l’accélération tangentielle

Observer l’accélération tangentielle

Objectif :

Identifier les phases d’accélération et de décélération.

Limites du modèle physique

La simulation repose sur des simplifications.

Principales limites :

  • accélération tangentielle constante

accélération tangentielle constante

  • absence de frottements

absence de frottements

  • absence d’effet de Coriolis

absence d’effet de Coriolis

  • absence de vibrations mécaniques

absence de vibrations mécaniques

  • absence de déformation des structures

absence de déformation des structures

Ces hypothèses simplifient le modèle pour un usage pédagogique.

Questions fréquentes (FAQ)

Pourquoi l’accélération centripète augmente-t-elle rapidement ?

Elle dépend du carré de la vitesse.Une augmentation de vitesse provoque une forte augmentation d’accélération.

Pourquoi l’accélération tangentielle devient-elle nulle ?

Lorsque la vitesse devient constante, il n’y a plus de variation de vitesse.

L’accélération tangentielle devient donc nulle.

Pourquoi le facteur g devient-il très grand ?

À grande vitesse ou grand rayon, l’accélération centripète devient importante.

Cela augmente fortement le facteur g.

Peut-on enregistrer seulement une partie du mouvement ?

Oui.Ilsuffit d’appuyer surRECpendant la rotation.

Voir aussi

  • Introduction à la documentation FizziQ Web

Introduction à la documentation FizziQ Web

  • Créer un tableau de données

Créer un tableau de données

  • Ajouter une grandeur calculée

Ajouter une grandeur calculée

  • Tracer un graphique

Tracer un graphique

  • Étudier le mouvement circulaire

Étudier le mouvement circulaire