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La vitesse permet de mesurer le degré de rapidité ou de lenteur d'un objet (au sens physique du terme) en mouvement. La vitesse d'un objet est la distance parcourue par unité de temps. Parmi les unités de vitesse, citons les mètres par seconde (m/s), les kilomètres par heure (km/h) ou encore les nœuds (navigation). Pour mesurer une vitesse, il faut connaitre ou mesurer la distance parcourue en un certain laps de temps. Une fois en possession de ces deux données, il suffit de diviser la distance par le temps et vous obtenez une vitesse.
Étapes
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Déterminez la distance que le coureur doit parcourir. Si vous pouvez accéder à une piste d'athlétisme, choisissez un couloir qui fait 100 m, sinon plantez deux piquets distants de 100 m dans un champ plat.
- Si vous êtes dans un champ ou sur un chemin, prenez un décamètre pour mesurer vos cent mètres.
- Indiquez bien les lignes de départ et d'arrivée avec une ficelle posée au sol ou deux cônes de chantier.
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Tenez-vous prêt. Le coureur va s'élancer et pour connaitre sa vitesse durant la course, il vous faut savoir combien de temps il va mettre pour parcourir la distance prévue. Pour que la mesure du temps soit juste, le coureur partira à votre signal (« Partez ! » par exemple). Avant de lancer le chronomètre, assurez-vous qu'il soit bien à zéro. Le coureur n'a plus qu'à se mettre sur la ligne de départ.
- Vous pouvez également vous servir d'une montre, mais votre mesure du temps sera moins précise.
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Déclenchez votre chronomètre. Déclenchez-le à l'instant où le coureur franchit la ligne de départ. Vous aurez donné au coureur le signal convenu entre vous. Si le coureur a fait un faux départ, il faut faire comme en compétition : vous mettez le chronomètre à zéro et vous redonnez un départ.
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Arrêtez votre chronomètre. Arrêtez-le quand le coureur franchit la ligne d'arrivée. Suivez attentivement la course et surtout le moment où le coureur franchit la ligne d'arrivée. Le chronomètre doit être arrêté à ce moment-là.
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Divisez la distance parcourue par le coureur par le temps mis. Cette division permet d'obtenir la vitesse du coureur. La formule de la vitesse est, rappelons-le, la suivante : distance parcourue/temps mis à la parcourir [1] X Source de recherche . Reprenons l'exemple des cent mètres : si le coureur met 10 secondes, il aura donc couru à une vitesse de : 100 m divisés par 10 (100 m/10 s), soit 10 m/s.
- Multipliez 10 m/s par 3 600 (le nombre de secondes dans une heure). Le coureur aurait parcouru 36 000 mètres en une heure. Sachant qu'il y a 1 000 mètres dans un kilomètre, sa vitesse était donc de 36 km/h (36 000/1 000).
- Si ce coureur avait parcouru 200 m en 25 secondes, il aurait parcouru 28 800 m (200/25 x 3 600) en une heure : sa vitesse était donc de 28,8 km/h.
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Trouvez un mur qui renvoie bien le son. Trouvez un mur plein, comme un mur en briques ou en béton. Testez la qualité de renvoi du mur (écho) en tapant dans les mains ou en criant. Si l'écho est bien audible, alors c'est le mur qu'il vous faut pour votre expérience [2] X Source de recherche .
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Mettez-vous à cinquante mètres du mur. Cette distance permet de bien se synchroniser avec l'écho, d'avoir suffisamment de temps pour faire des mesures précises (car tout écart va grandement fausser le résultat). Enfin, cette distance de cinquante mètres est bien pratique pour les calculs, car avec l'aller-retour du son, vous avez cent mètres.
- Mesurez la distance avec un décamètre. Essayez d'être le plus précis possible dans vos mesures.
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Frappez dans vos mains. Faites-le en cadence avec l'écho. Vérifiez que vous êtes à la bonne distance et frappez lentement dans vos mains. Vous devez être capable d'entendre l'écho au moment où vous frappez à nouveau dans vos mains. Allongez ou diminuez votre rythme de battements des mains de façon à être synchrone avec l'écho du battement précédent [3] X Source de recherche .
- Quand vous serez parfaitement synchrone, vous n'entendrez plus que le bruit de votre battement de mains, le bruit de l'écho sera couvert.
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Frappez onze fois dans vos mains. Un chronométreur mesurera le temps. Il déclenchera son chronométreur à la première frappe et l'arrêtera à la dernière. Avec onze battements de mains, vous avez dix intervalles de temps. En distance, le son a parcouru dix fois cent mètres, la longueur aller-retour jusqu'au mur [4] X Source de recherche .
- Le fait de frapper onze fois dans les mains permet au chronométreur de démarrer à temps et de ne pas être surpris à la fin, la mesure est assez précise.
- Pour avoir une mesure plus précise, faites plusieurs chronométrages de ce type, puis faites une moyenne. Pour cela, additionnez tous les temps obtenus, puis divisez par le nombre de chronométrages.
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Multipliez la distance par dix. Comme vous avez frappé onze fois dans vos mains, le son a parcouru dix fois la distance aller-retour de vous au mur, soit dix fois cent mètres, ce qui donne mille mètres.
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Faites la division. Divisez la distance parcourue par le temps mis pour accomplir cette même distance. Vous aurez ainsi la vitesse moyenne du son dans son trajet de vos mains au mur et retour.
- Ainsi, admettons que pour onze battements de mains, vous ayez mesuré 2,89 secondes. La vitesse du son se calcule en prenant la distance, soit 1 000 mètres, qu'on divise par la durée, soit 2,89 secondes, ce qui donne une vitesse du son de 346 m/s.
- La vitesse du son au niveau de la mer est de 340,29 m/s [5] X Source de recherche . Avec l'expérience que vous avez faite, vous trouvez non pas la vraie vitesse, mais une vitesse proche. Ce sera d'autant plus vrai si vous n'êtes pas au niveau de la mer. Si vous êtes en altitude, l'air est moins dense et le son se propage moins vite.
- Le son se déplace plus vite dans un liquide ou un solide que dans l'air, car il est étonnamment moins freiné dans des milieux de plus grande densité [6] X Source de recherche .
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Dotez-vous d'un anémomètre. Un anémomètre est un appareil spécialement conçu pour mesurer la vitesse du vent [7] X Source de recherche . Il est constitué d'un axe central rotatif sur lequel viennent se fixer trois ou quatre coupelles montées au bout d'un petit axe. Le vent s'engouffre dans les coupelles creuses, ce qui fait tourner l'axe. Plus le vent est fort, plus les coupelles tournent vite, plus l'axe central tourne vite.
- Vous pouvez acheter votre anémomètre, mais vous pouvez aussi le fabriquer vous-même.
- Pour fabriquer un anémomètre, il vous faut cinq coupelles en matériau rigide de 8 à 10 cm de diamètre, deux pailles, un crayon bien taillé avec une gomme, une agrafeuse, une épingle et une règle [8] X Source de recherche . Coloriez une des coupelles pour pouvoir bien la repérer pendant l'expérience.
- Faites un trou sur le côté de quatre des cinq coupelles à environ 3 cm du bord. Dans la cinquième coupelle, faites quatre trous régulièrement espacés, tous à 3 cm du bord. Faites également un trou au sommet de cette coupelle.
- Introduisez une paille dans le trou d'une coupelle sur une longueur de 2 à 3 cm. Fixez-la dans cette position avec une agrafe. Prenez l'autre extrémité de la paille et faites-lui traverser de part en part la coupelle avec les quatre trous. Une fois la paille en place, fixez à la seconde extrémité une deuxième coupelle de la même façon que la première. Vous vérifierez que les deux coupelles simples sont orientées dans le même sens.
- Recommencez la même chose avec la seconde paille et les deux autres coupelles, en utilisant les deux autres trous de la cinquième coupelle. Vérifiez cette fois que les quatre coupelles sont orientées dans le même sens.
- À l'aide de l'épingle, transpercez délicatement les deux pailles qui se croisent à l'intérieur de la cinquième coupelle.
- Introduisez le crayon dans le trou central de la cinquième coupelle. La gomme entrera en premier, car l'épingle y sera enfoncée. Vérifiez que votre anémomètre tourne librement. Si c'est le cas, alors vous pouvez commencer l'expérience. S'il coince, retirez un peu l'épingle ou le crayon et voyez si les coupelles tournent librement.
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Calculez la circonférence de l'anémomètre. Une coupelle qui effectue un tour complet décrit un cercle et parcourt une distance égale à la circonférence de ce cercle. Pour calculer cette dernière, vous avez besoin du diamètre du cercle.
- Mesurez la longueur qu'il y a de l'axe de l'anémomètre au centre d'une des coupelles. C'est ce qu'on appelle le rayon de l'anémomètre. En doublant cette distance, vous avez le diamètre.
- La circonférence d'un cercle est égale au produit du diamètre par la constante π (pi) ou au produit de deux fois le rayon par π.
- Ainsi, si la longueur entre le centre d'une des coupelles à l'axe central de l'anémomètre est de 30 cm, une coupelle qui fait un tour complet parcourt une distance de : 2 x 30 x 3,14 (en arrondissant π à deux décimales), soit 188,4 cm.
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Placez correctement l'anémomètre. Placez-le à un endroit où le vent est sensible, mais évitez de le mettre dans un endroit où il est trop violent, sinon vous ne pourrez pas repérer le nombre de rotations. Fixez-le bien pour qu'il ne s'envole pas et maintenez-le bien verticalement.
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Comptez le nombre de tours. Comptez-le sur une durée déterminée. Installez-vous face à l'appareil et comptez un tour chaque fois que la coupelle colorée passe devant vous. Cette dernière peut mettre un temps variable pour accomplir un tour : 5, 10, 15, 20, 30 secondes, voire une minute, tout dépend de la force du vent du moment. Réglez un minuteur sur une durée donnée, ce qui vous permettra de compter tranquillement les tours.
- Si vous n'avez pas de minuteur, demandez à un ami de chronométrer pendant que vous comptez les tours.
- Si vous achetez un anémomètre, faites une marque sur une des coupelles pour pouvoir facilement compter le nombre de tours.
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Multipliez le nombre de tours par la circonférence. Durant le temps que vous vous êtes fixé, vous avez compté un certain nombre de tours. Si vous multipliez ce nombre par la circonférence du cercle décrit par la coupelle repère, vous obtiendrez la distance parcourue par la coupelle marquée.
- Ainsi, si votre anémomètre a un rayon de 30 cm, une des coupelles parcourt en un tour 188,4 cm. Si elle fait 50 tours durant votre observation, alors la distance qu'elle aura parcourue sera de : 50 x 188,4 = 9 420 cm.
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Divisez la distance totale par le temps écoulé. On l'a précédemment dit : la vitesse est la distance parcourue par unité de temps. Prenez la distance totale parcourue par la coupelle marquée à l'avance, puis divisez-la par le temps de rotation choisi : vous avez la vitesse du vent.
- Ainsi, si vous avez observé la coupelle pendant 10 secondes, vous devez diviser la distance parcourue par 10. Pour reprendre l'exemple, on aura : 9 420 cm/10 s = 942 cm/s.
- Multipliez 942 cm/s par 3 600 (qui est le nombre de secondes dans une heure) et vous obtenez 3 391 200 cm/h. Divisez par 100 000 (le nombre de centimètres dans un kilomètre) et vous obtenez 33,9 km/h : c'est un vent modéré !
- Si la période d'observation avait été de 15 secondes pour un nombre identique de tours, la coupelle aurait toujours parcouru 9 420 cm, soit 2 260 800 cm (9 420/15 x 3 600) en une heure, soit une vitesse de 22,6 km/h.
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Conseils
La vélocité est liée à la vitesse. Elle indique la rapidité avec laquelle un objet se déplace dans une direction donnée. Un moyen simple de la distinguer de la vitesse classique est de se rappeler que l'anémomètre mesure la vitesse du vent, mais non sa vélocité, car il effectue un cercle. Les manches à air mesurent la vélocité, car elles pointent dans la direction du vent.
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Éléments nécessaires
- Un minuteur
- Un chronométreur
- Un endroit pour courir (pour la mesure de la vitesse du coureur)
- Un mur qui renvoie bien le son (pour la mesure de la vitesse du son)
- Un décamètre (pour les deux mesures de la vitesse du coureur et du son)
- Un anémomètre (pour la mesure de la vitesse du vent)
Références
- ↑ http://study.com/academy/lesson/calculating-average-speed-formula-practice-problems.html
- ↑ http://www.nuffieldfoundation.org/practical-physics/measuring-speed-sound-using-echoes
- ↑ http://www.nuffieldfoundation.org/practical-physics/measuring-speed-sound-using-echoes
- ↑ http://www.instructables.com/id/How-to-measure-the-speed-of-sound-with-two-lumps-o/
- ↑ http://www.fighter-planes.com/jetmach1.htm
- ↑ http://everythingmaths.co.za/science/grade-10/10-sound/10-sound-02.cnxmlplus
- ↑ http://www.scientificamerican.com/article/bring-science-home-wind-speed/
- ↑ http://www.scientificamerican.com/article/bring-science-home-wind-speed/
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