🛑 Freinage : l'énergie qui chauffe les disques
Quand une voiture freine, son énergie ne disparaît pas : elle part en chaleur dans les disques de frein, qui peuvent devenir rouges ! Freine une citadine, un poids lourd, un vélo ou une Formule 1, regarde le thermomètre grimper, enchaîne les freinages… puis passe à la voiture électrique, qui renvoie une partie de cette énergie dans sa batterie au lieu de la gaspiller.
🧪 Mode d'emploi : règle les curseurs (à droite, ou sous l'animation sur téléphone), lance avec ▶, observe les mesures et relève les 🎯 défis. Le bouton ⛶ agrandit l'animation, idéal sur téléphone à l'horizontale.
Ce que tu vois
- Pendant le freinage, la barre de l'énergie cinétique fond et celle de la chaleur Q grandit d'autant : l'énergie se conserve, elle change seulement de forme (Ec avant = Q + Erécup + Ec après).
- L'échauffement Δθ = Q / (md × c) est d'autant plus grand que les disques sont légers : les petits disques du vélo chauffent plus que ceux du poids lourd, pourtant 400 fois plus lourd !
- Freiner depuis une vitesse 2 fois plus grande chauffe 4 fois plus les disques, car l'énergie cinétique dépend de v².
- Entre deux freinages, les disques refroidissent dans l'air, mais pas assez vite si l'on freine souvent : sur le graphe θ(t), la température monte en dents de scie, jusqu'à ce que les plaquettes perdent leur efficacité.
- Avec le freinage récupératif, le moteur électrique fonctionne en générateur et recharge la batterie : les disques chauffent beaucoup moins.
Expériences à faire
- Freine la citadine de 50 km/h à l'arrêt, puis de 100 km/h : l'échauffement est-il doublé ?
- Freine de 130 km/h à 80 km/h, puis de 80 km/h à l'arrêt : quel freinage chauffe le plus ? Pourquoi ?
- Lance « 5 freinages de suite » : jusqu'où monte la température ? Et avec « Attendre 1 min » entre deux freinages ?
- Change la décélération a : l'échauffement change-t-il ? Et la puissance de freinage ?
- Avec la voiture électrique, règle η à 0 % puis à 70 % : combien de degrés gagnes-tu ?
La physique derrière l'animation
- Énergie cinétique d'un véhicule de masse m roulant à la vitesse v : Ec = ½ × m × v² (en J, avec m en kg et v en m/s ; 1 km/h = 1/3,6 m/s).
- En freinant de v1 à v2, le véhicule perd ΔEc = ½ × m × (v1² − v2²). Les forces de frottement des plaquettes sur les disques transforment cette énergie en transfert thermique Q vers les disques (énergie dissipée).
- Échauffement d'un corps de masse md et de capacité thermique massique c : Q = md × c × Δθ, donc Δθ = Q / (md × c). Fonte : c ≈ 460 J/(kg·°C).
- Freinage récupératif : une part η de ΔEc est convertie en énergie électrique stockée dans la batterie ; seule la part (1 − η) × ΔEc chauffe les disques.
- Puissance de freinage : P = F × v = m × a × v. Modèle : toute la chaleur va dans les disques, à température uniforme, puis ils refroidissent dans l'air (loi de Newton, constante de temps τ) ; en réalité, plaquettes, pneus et air en prennent une partie.
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