Clou .. :x

[sandrine_guillerme]

Bonsoir tout le monde ,

J'ai une question assez élémentaire en physique les gas.. quelles sont les mécanismes qui entrent en jeu lonsque l'en attache un marteau qui pèse 1036grammes d'une hauteur de 1m a peu prés je signale que c'est une éxpérience que j'ai fais, donc on lache le marteau sur un clou sur un bois (je refais l'expérience 3fois exactement pour enfoncer le clou, et avec un appareil prévu pour mesurer la température je remarque que la température augmente au niveau microscopique ..
Cette observation me pousse à poser les questions suivantes .. quelles sont les mécanismes qui entrent en jeu ? et pourquoi après avoir remplacer un clou par deux il faut que j'envois le marteaux 6fois au lieu de 3 ? et pourquoi la tempèrature augmente t elle ?
Merci beaucoup de m'eclaircir ces choses .. qui sont très passionnantes pour quelqu'un qui fais des math..

Cordialement

[Dominique Lefebvre]

Bonsoir tout le monde ,

J'ai une question assez élémentaire en physique les gas.. quelles sont les mécanismes qui entrent en jeu lonsque l'en attache un marteau qui pèse 1036grammes d'une hauteur de 1m a peu prés je signale que c'est une éxpérience que j'ai fais, donc on lache le marteau sur un clou sur un bois (je refais l'expérience 3fois exactement pour enfoncer le clou, et avec un appareil prévu pour mesurer la température je remarque que la température augmente au niveau microscopique ..
Cette observation me pousse à poser les questions suivantes .. quelles sont les mécanismes qui entrent en jeu ? et pourquoi après avoir remplacer un clou par deux il faut que j'envois le marteaux 6fois au lieu de 3 ? et pourquoi la tempèrature augmente t elle ?
Merci beaucoup de m'eclaircir ces choses .. qui sont très passionnantes pour quelqu'un qui fais des math..

Cordialement

Tout n'est qu'énergie et théorie de la percution.

Lorsque ton marteau percute un clou, il atteint ce clou avec une certain énergie potentielle (gravtitation, énergie élastique de tes bras musclés)
A u moment de la percution,il se passe des phénomènes un peu complexes. Mais en résumé, l'énergie emmagasinée par ton marteau se transforme:
- en énergie mécanique, qui va provoquer l'enfoncement du clou
- en énergie thermique, car le choc n'est pas parfaitment élastique et l'énergie ppotentielle n'est pas toute transforméeen énergie mécanique.

En bref, ton clou s'enfonce et sa tête s'échauffe un peu...

Effet collatéral:il est possible que tu dissipes une certaine quantité d'énergie sous forme d'excitation de la masse d'air environnante....

[sandrine_guillerme]

Merci Dominique de m'avoir répondu

1/mais est ce que tu peux détailler encore plus ces phénomènes complexes) si tu peux s'il te plaît ?
2/ mais là je me pose une autre question (bizarre) pourquoi on utilise un voltemètre pour mesurer la différence de température ? y a t il un lien entre les deux ?

Merci de me répondre ..

[Dominique Lefebvre]

Merci Dominique de m'avoir répondu

1/mais est ce que tu peux détailler encore plus ces phénomènes complexes) si tu peux s'il te plaît ?
2/ mais là je me pose une autre question (bizarre) pourquoi on utilise un voltemètre pour mesurer la différence de température ? y a t il un lien entre les deux ?

Merci de me répondre ..

Sur la percution, je te répondrai demain, il faut que je me rafraichisse les idées.

Sur le second point, la conduction des métaux dépend de la température. Il existe même certains alliages qui produisent une tension électrique lorsqu'ils sont soumis à une contrainte (un choc par exemple), c'est l'effet piezoélectrique. Mais à ma connaissance, il n'existe pas dans l'acier.

Ceci dit, dans le cas précis d'un clou que l'on frappe, je doute que l'on puisse mesurer la différence de température avec un simple voltmètre. La quantité de chaleur doit être faible et le clou est bon conducteur...

[sandrine_guillerme]

Ok vivement demain alors :lol4:

non en fait ça se mesure avec un "micro voltmètre" .. mais je ne vois guèrre le lien..

[sandrine_guillerme]

Salut,

Je ne vais pas parler plus fort pour ne pas déranger Dominique .. mais si quelqu'un d'autre a une idée .. je suis preuneuse parceque je dois présenter le truc Mardi .. :cry:

Merci d'avance ..

[flaja]

2/ mais là je me pose une autre question (bizarre) pourquoi on utilise un voltmètre pour mesurer la différence de température ? y a t il un lien entre les deux ?

C'est peut-être tout simplement un thermomètre dont on met la sonde au contact du clou.
Le principe de ce thermomètre peut être basé sur la variation de résistivité du matériau de la sonde.
Mais l'expérimentatrice doit bien voir à quoi ressemble ce dispositif.

[sandrine_guillerme]

Salut flaja,

nan je pense que là on parle plutôt de thermocouple (ça c'est boen j'ai trouvé) mais .. le soucis maintenant c'est en sachant les données que j'ai (masse, la hauteur etc ) est ce que je peux calculer la force du marteau ? est ce que je peux calculer l'énergie cinétique , l'énergie potentielle ?

Merci

[flaja]

On ne peut pas parler de "force du marteau" puisque c'est une percution : F est infini pendant un delta t nul. Mais F delta t = I = delta p (impulsion)

au départ : énergie potentielle du marteau = m g h
qui se transforme complètement en énergie cinétique = 1/2 m v^2
Dans le choc,
une partie de l'énergie se transforme en chaleur dans le clou et le marteau (mesurée dans le clou)
une autre en énergie cinétique du clou, en déformation du clou.
Puis la déformation du bois, l'échauffement du bois.
(+ l'énergie sonore)

[Dominique Lefebvre]

Bonsoir Sandrine,

Enfin sorti de ce qui m'occupait, et ça marche....

Bon, ce marteau qui enfonce un clou...

Lors de sa course, le marteau accumule de l'énergie cinétique. Celle-ci dépend:
- de sa masse (c'est pour cela qu'il existe des marteaux avec des têtes de différentes tailles),
- de la différence d'altitude entre le début de course et la tête du clou,
- de l'impulsion donnée à l'origine par l'utilisateur (tu peux laisser tomber ton marteau ou frapper, c'est à dire délivrer une impulsion par consomation d'énergie musculaire (énergie chimique)).

Lorsque ton marteau atteint la tête du clou, l'énergie cinétique se convertit en:
- chaleur , que tu peux mesurer avec un thermo-couple, qui génère une tension en fonction de la température (d'où le micro-voltmètre). Mais ta mesure doit être très imprécise...
- en énergie sonore (tout choc dans l'air provoque un ébranlement gazeux et donc un son...)
- en énergie cinétique appliqué au clou.

Cette énergie transférée au clou doit vaincre le frottement du clou sur le bois pour que le clou s'enfonce... Ce frottement varie en fonction de la dureté du substrat (bois dur, tendre, platre, beton, etc...). Je pense aussi qu'il faut prendre en compte le module d'élasticité du matériau (module d'Young), mais là je ne pas bien sur!

Voilà le principe...

Maintenant si tu cherches à calculer cela, tu vas avoir quelques difficultés pour intégrer ton système différentiel de la percussion.
En effet, l'impulsion communiquée au clou par le marteau est égale à l'intégrale pendant le temps de la percussion de la force avec laquelle le marteau frappe le clou.
Or ce temps est très court (en théorie il tend vers 0) et la force bien que grande n'est pas infinie...
Pour intégrer cette impulsion, on utilise la fonction delta de Dirac.
Cette fonction est définie comme suit:
delta(t) = 0 quand t < 0
delta(t) = 1/e quand 0 < t < e avec e tend vers 0
delta(t) = 0 quand t > 0

En utilisant la fonction de Dirac pour modéliser les impulsions, on obtient ainsi des intégrales qui ne divergent pas! Elle est très utilisée en physique.

Mais bon, pour ta présentation, tu peux peut être en rester aux données quantitatives!
Sur quoi veux tu axer ta présentation?

[sandrine_guillerme]

Re,

Alors bon, vous allez m'excuser un petit moment je vais re faire tout le travail en se basant sur ma recherche et ce que Dominique et flaja ont dit bien entendu .. alors je poste quand même le planing ici comme ça Dominique tu peux regarder et me dire ce qu'il faut que je modifie en fait .

Alors dans les médias je dois oublier la fonction de Dirac .. ( parceque sinon le prof va me zigouiller vois tu ? )

I/ Introduction
(là je vais parler en général sur la percussion )

II/Expérience
(Description de la minip et les données)

III/ Explications
(je dois répondre aux questions suivantes :
1/ Quels sont les mécanismes qui entrent en jeu
2/pour quoi après avoir remplacer 1clou par 2 il faut refaire l'exp 6fois au lieu de 3 .
3/ pourquoi la température augmente t elle ?
4/ Pourquoi utilise t on un thermocoupe pour mesure la différence de température .
5/ le plus de calcul possible ( force, Ep Ec Em ..... tu peux me proposer le plus de calcul simple .. là je stress énormément )
6/ Conclusion .

Voilà voila ..

[sandrine_guillerme]

Bon alors j'écris la partie de la température ..
La température augmente car une partie de l'énergie cinétique du marteau est transmise au clou de manière désordonnée lors du choc et par définition un mouvement désordonnée c'est la température. Le marteau lors du choc communique une majeure partie de son mouvement au clou de manière ordonnée, si le marteau descend, le clou descend aussi, mais parce que le choc est un événement violent, une partie de cette énergie se transmet de facon désordonnée, il y a agitation microscopique -> élévation de température.
Ou encore, en frappant sur le clou, une partie de l'énergie du marteau est dissipée dans le clou sous forme de chaleur

Correct ?

[Dominique Lefebvre]

Quelques autres considérations simples:

- on doit considérer le choc marteau/clou comment partiellement inélastique.

-au moment du choc , le clou ne bouge pratiquement pas. Il emmagasine l'énergie. C'est après le choc qu'il bouge.

- Au cours du choc, la quantité de mouvement est conservée. Posons m1 et v1 masse et vitesse du marteau avant le choc, m2 la masse du clou et v2 la vitesse de l'ensemble clou+marteau après le choc.
Nous avons m1*v1 = (m1+m2)v2.
Si l'on aborde le problème sous l'angle de l'énergie:
(m1*v1^2)/2 = ((m1+m2)v2^2)/2 + Q, Q étant l'énergie thermique dissipée et l'énergie de déformation mécanique.

Si j'appelle Wc l'énergie cinétique de l'ensemble marteau + clou, on peut facilement calculer que Wc/Q = m1/m2.
D'où l'intérêt de prendre un marteau lourd si l'on veut enfoncer le clou plutôt que le déformer....

[Dominique Lefebvre]

Bon alors j'écris la partie de la température ..
La température augmente car une partie de l'énergie cinétique du marteau est transmise au clou de manière désordonnée lors du choc et par définition un mouvement désordonnée c'est la température. Le marteau lors du choc communique une majeure partie de son mouvement au clou de manière ordonnée, si le marteau descend, le clou descend aussi, mais parce que le choc est un événement violent, une partie de cette énergie se transmet de facon désordonnée, il y a agitation microscopique -> élévation de température.
Ou encore, en frappant sur le clou, une partie de l'énergie du marteau est dissipée dans le clou sous forme de chaleur

Correct ?

Humm..

Réfléchissons! Imagine que tu frappes avec un marteau léger sur une enclume. Que va-t-il se passer : ton marteau va chauffer. Pourquoi? Parce l'énergie résultante du choc n'a pas pu se convertir en énergie cinétique qui résulterait de l'enfoncement du marteau dans l'enclume (la masse m2 de mon post précédent est trop grande par rapport à la masse m1 du marteau et donc le rapport Wc/Q est très petit devant 1).

l'élévation de température est plutôt liée la capacité de "transporter" l'énergie cinétique, au fait que le marteau mette en mouvement le clou... Si le clou ne bouge pas, toute l'énergie est dissipée sous forme d'énergie thermique et de déformation mécanique.

Je ne comprend pas ce que tu entends par "La température augmente car une partie de l'énergie cinétique du marteau est transmise au clou de manière désordonnée lors du choc et par définition un mouvement désordonnée c'est la température.". Qu'est-ce que la transmission désordonnée de l'énergie cinétique?

[sandrine_guillerme]

bon tu me pose une colle là :briques:

c'est pas grave je laisse tomber cette partie ..

parlons maintenant sur cette question
Pourquoi après avoir remplacer 1 clou par 2 faut il refaire l'expérience 6 fois au lieu de 3 ?

je procède comme ça
Problème du même genre : pourquoi une locomotive doit-elle fournir plus de puissance quand on ajoute des wagons.
Les clous n'échappent pas à la règle. Sinon on aurait inventé le marteau à tête large qui enfonce 2 clous en même temps.
et c'est Parce que l'énergie nécessaire pour enfoncer un clou (3coup de marteau) ne permet pas d'en enfoncer deux pour cela il faut deux fois plus de coup de marteau...

Tu peux rajouter autre chose ?

[sandrine_guillerme]

pour les calculs c'est parfait .. ! c'est suffisant pour moi .

[sandrine_guillerme]

"Si j'appelle Wc l'énergie cinétique de l'ensemble marteau + clou, on peut facilement calculer que Wc/Q = m1/m2."


Là je n'ai pas bien suivi en fait .. tu peux me le détailler s'il te plaît ?

[sandrine_guillerme]

Je ne comprend pas ce que tu entends par "La température augmente car une partie de l'énergie cinétique du marteau est transmise au clou de manière désordonnée lors du choc et par définition un mouvement désordonnée c'est la température.". Qu'est-ce que la transmission désordonnée de l'énergie cinétique?

Je vais essayer de raffiner cette partie alors
Comme déjà dit, les frottements.
Il y a la surface des clous en contact avec le bois (le bois chauffe aussi) et aussi la surface de contact clou-marteau (la tête du marteau chauffe aussi).

Maintenant pourquoi les frottements créent-ils de la chaleur? au niveau atomique et cristallin, j'ai cherché cela autrefois mais le problème ne semble pas avoir été cerné ( ? ) si ?
Il en ressort surtout que l'énergie thermique est une forme d'énergie mécanique.

(Bon je m'arrête là j'attends alors tes com's cher Dominique !

[Dominique Lefebvre]

Il y a la surface des clous en contact avec le bois (le bois chauffe aussi) et aussi la surface de contact clou-marteau (la tête du marteau chauffe aussi).

Le bois ne chauffe pas pour les mêmes raisons que la tête du marteau.

Dans le premier cas, il s'agit bien de chaleur engendrée par le frottement du clou sur le bois. En s'enfoncant dans le bois, le clou détruit les arrangements fibreux de la lignine et aussi quelques liaisons faibles au passage. Cette destruction provoque une libération de chaleur.

Pour le marteau, c'est un peu différent. La chaleur produite par le frottement du marteau sur la tête du clou est négligeable par rapport à l'autre source. Tu remarqueras que pendant l'instant du choc (les qq centaines de microsecondes du choc), le clou ne bouge pratiquement pas. Il y transfert de l'énergie cinétique du marteau vers le clou qui l'accumule. Or le clou a du mal à transformer cette énergie cinétique en mouvement car le bois n'est pas très d'accord (il résiste le bougre, avec ses frottements!). Et donc le clou dissipe de l'énergie sous forme thermique, faute de mieux...
Tu peux faire des manips pour vérifier cela:
prend un marteau lourd (il y a une raison, essaye de la trouver), deux clous identiques, assez solides mais relativement fins. Puis deux planches, une de bois dur (du chêne ou similaire) et une de bois tendre (du peuplier ou du balsa). Frappe les deux clous avec la même énergie cinétique. Mesure la température du clou dans les deux manips. Tu constateras que le clou dans la planche de peuplier s'échauffe beaucoup moins (la planche aussi d'ailleurs...). Vois-tu pourquoi?

Il en ressort surtout que l'énergie thermique est une forme d'énergie mécanique.

Disons plutôt que l'énergie thermique et l'énergie mécanique sont équivalentes. D'ailleurs, on retrouve cette équivalence dans la relation bien connue: 4,186 J = 1 cal. Regarde dans tes cours l'expérience de Joule sur conversion de l'énergie mécanique en énergie thermique...

[sandrine_guillerme]

D'accord tout est noté et enregistré y compris le mp :lol4:

il reste maintenant 2 autres points :

Corrige moi ça stp :
L’énergie dépensée dans le système provient de la variation d’énergie potentielle du marteau.
Delta Ep=mgh
Avec m = 1.036 Kg
g = 9.81 ms-2
h = 1 m
Soit delta Ep = 10.2 joule

"Si j'appelle Wc l'énergie cinétique de l'ensemble marteau + clou, on peut facilement calculer que Wc/Q = m1/m2."

Là je n'ai rien compris en fait .. tu peux me le détailler s'il te plaît ?

P.S: et finalement les X .. ils me laissent bouche B :zen: