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La loi de Lenz à l'œuvre dans les tours de chute libre

Steve Holmes
Lisibilité
8.46

Quels sont les liens avec mon programme d'études?

Comment le magnétisme contribue-t-il à assurer ta sécurité dans une tour de chute libre? Comment l'électromagnétisme est-il utilisé dans les parcs d’attraction?

Imagine que tu es assis en haut d’une tour de chute libre dans un parc d’attractions. Alors que tu attends avec anxiété que la chute libre commence, il y a une panne de courant. Un sentiment de panique t’envahit et tu te demandes si tu pourras descendre au bas de la tour en toute sécurité? Comment le système de freinage fonctionnera-t-il sans électricité?

Tour de chute libre d’une hauteur de 70 m (230 pi) au parc d’attractions Canada's Wonderland, en Ontario.
Tour de chute libre d’une hauteur de 70 m (230 pi) au parc d’attractions Canada's Wonderland, en Ontario (Source : Loozrboy de Toronto, au Canada [CC BY-SA 2.0] via <a href="https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Free_fallin%27_(4887231838).jpg">Wikimedia Commons</a>).

 

Le savais-tu? 

Zumanjaro Drop of Doom est la tour de chute libre la plus haute et la plus rapide du monde : elle a une hauteur de 125 m et descend à une vitesse de 140 km/h. 

Heureusement pour toi, le système de freinage installé au bas du manège n’est pas branché sur le réseau d’électricité. Il n’a pas besoin non plus d’une batterie ni d’une génératrice de secours en cas de panne de courant, car les tours de chute libre sont équipées de freins magnétiques jumelés à des cylindres hydrauliques ou à des freins à air comprimé. Les freins magnétiques ont recours à l’induction électromagnétique, un système que l’on peut expliquer par la loi de Lenz.

Qu’est-ce que l’induction électromagnétique?

En 1831, Michael Faraday découvre que l’on peut induire un courant électrique dans une bobine de fil métallique en y plaçant un aimant. Il observe également que l’on peut induire un courant électrique en déplaçant la bobine au-dessus d’un aimant stationnaire. 

C’est l’illustration du principe d’induction électromagnétique, selon lequel un changement dans un champ magnétique induit un courant électrique. Plus précisément, lorsqu’un conducteur se trouve en présence d’un champ magnétique dynamique (variable), un courant électrique est produit. Dans l’expérience de Faraday, le fil métallique est le conducteur. L’aimant qu’il déplace à travers la bobine et au-dessus créer le champ magnétique dynamique.

L'induction électromagnetique (2016) d'etu sup (1 min 26 sec).

Le phénomène d’induction électromagnétique se produit lorsqu’un courant alternatif traversant un circuit induit un courant dans un autre circuit du simple fait de sa proximité. Avez-vous à la maison une plaque de cuisson à induction? Connais-tu quelqu’un qui en a une? Si c’est le cas, tu as vu un exemple d’induction électromagnétique. Un serpentin installé sous chaque élément chauffant induit un courant alternatif. Le récipient adapté aux plaques à induction, par exemple une casserole en fonte, dans lequel on fait cuire les aliments sert de deuxième conducteur. Un courant est induit sur la casserole sans même que le serpentin qui se trouve sous l’élément la touche. Dans la casserole, le courant induit est converti en chaleur pour cuire les aliments.

Intérieur d’une plaque de cuisson à induction. Remarque le serpentin de cuivre dans la photo de droite.
Intérieur d’une plaque de cuisson à induction. Remarque le serpentin de cuivre dans la photo de droite (Source: Dmitry G via <a href="https://commons.wikimedia.org/wiki/File:MIA_induction_stove_IKP2201.JPG">Wikimedia Commons</a>).

 

Aujourd’hui, de nombreux articles de tous les jours – même la pile de ton téléphone cellulaire! – ont recours à l’induction électromagnétique ! 

Qu’est-ce que la loi de Lenz?

Selon la loi de Lenz, le sens dans lequel circule un courant électrique induit varie de sorte que son propre champ magnétique s’oppose à la variation du flux inducteur. Cette loi a été formulée par le physicien russe Heinrich Lenz en 1834, quelques années après la découverte de Faraday.

Un frein magnétique (2014) d'Unisciel (1 min 49 sec).

La vidéo à laquelle mène le lien ci-après permet de voir la loi de Lenz à l’œuvre. Au cas où tu ne pourrais pas la regarder, voici en gros ce qui se produit. Le présentateur laisse tomber un disque de cuivre un disque de cuivre au bas d'une bande de papier, faisant office de pendule. Quand il passe devant un puissant aimant, il ralentit. Mais le cuivre n'est pas magnétique.

Qu’est-ce qui explique ce phénomène? Eh bien, le cuivre est un conducteur. La loi de Faraday nous a appris que l’aimant induit un courant électrique dans le cuivre. Et, comme le dit la loi de Lenz, le courant crée un champ magnétique qui s’oppose à l’aimant.

Le savais-tu? 

Le train à sustentation magnétique Maglev, à Shanghai, a recours à l’induction électromagnétique pour se maintenir au-dessus de la voie et se déplacer à une vitesse pouvant atteindre 430 km/h.

Tout d’abord, pourquoi un champ magnétique dynamique induit-il un courant électrique? Pour comprendre ce phénomène, rappelle-toi la loi de la conservation de l’énergie. Selon cette loi de la physique, l’énergie ne peut être créée ni détruite, mais une forme d’énergie peut se transformer en une autre. La loi de Lenz et l’induction électromagnétique montrent comment l’énergie cinétique se transforme en énergie électrique.

Revenons à l’exemple de la vidéo sur les courants de Foucault. Le déplacement d’un disque crée une énergie cinétique qui se transforme en énergie électrique. Cette énergie électrique induit dans le disque un courant qui crée un champ magnétique dont le sens est opposé à celui dans lequel on déplace l’aimant. Puisque l’aimant descend, le champ magnétique va de bas en haut. 

 

Le champ magnétique créé dans la bobine s’oppose au champ magnétique de l’aimant et ralentit par le fait même la descente de l’aimant.
Le champ magnétique créé dans la bobine s’oppose au champ magnétique de l’aimant et ralentit par le fait même la descente de l’aimant (© 2019 Parlons sciences; à partir d’une image de <a href="https://www.istockphoto.com/ca/portfolio/PeterHermesFurian?mediatype=illustration">PeterHermesFurian</a> via <a href="https://www.istockphoto.com/ca/vector/magnetic-field-of-a-current-carrying-coil-gm596085992-102201573">iStockphoto</a>)

Comment la loi de Lenz s’applique-t-elle dans une tour de chute libre?

Revenons à la tour de chute libre où tu es coincé depuis tout à l’heure. Des aimants permanents sont fixés sous le siège de chaque nacelle et des bandes en cuivre sont placées verticalement dans le tiers inférieur de la tour. Lorsque la nacelle tombe, la chute produit une énergie cinétique qui est transférée aux nacelles, y compris aux aimants se trouvant sous les sièges. Lorsque les aimants dépassent le conducteur de cuivre, l’énergie cinétique se transforme en énergie électrique. Le courant alors induit dans les bandes en cuivre crée aussi un champ magnétique. Et, comme le dit la loi de Lenz, ce champ magnétique s’oppose au sens du mouvement des aimants. C’est pourquoi le champ magnétique pousse les sièges vers le haut, ce qui ralentit les nacelles. Voilà comment fonctionnent les freins magnétiques d’une tour de chute libre. Ces freins sont jumelés à des cylindres hydrauliques pour ralentir encore davantage les nacelles qui descendent. On obtient ainsi un système de freinage fiable sans friction.

Relaxe! Même s’il y a une panne de courant, tu pourras revenir sur le plancher des vaches en toute sécurité ! 

Tu aimerais expérimenter par toi-même la loi de Lenz?

Essaie de construire un tube à courants de Foucault. Il suffit pour se faire d’un simple rouleau de papier d’aluminium et d’un aimant à base de terre rare (aimant fait d’un métal du groupe des terres rares). Laisse tomber l’aimant dans le tube et observe-le pendant qu’il ralentit.

 

Amorces de discussion

Faire des liens

  • Es-tu déjà allé dans un parc d’attractions? Quel est ton manège préféré?
  • Dans quelle mesure une tour de chute libre te semble-t-elle sécuritaire?
  • As-tu déjà songé à toutes les applications scientifiques et les technologies utilisées dans les manèges des parcs d’attractions? Explique ta réponse.

Faire des liens

  • Es-tu déjà allé dans un parc d’attractions? Quel est ton manège préféré?
  • Dans quelle mesure une tour de chute libre te semble-t-elle sécuritaire?
  • As-tu déjà songé à toutes les applications scientifiques et les technologies utilisées dans les manèges des parcs d’attractions? Explique ta réponse.

Relier la science et la technologie à la société et à l'environnement

  • Explique comment le développement d’un système de freinage sans friction utilisant des aimants illustre parfaitement la convergence de la science et de la technologie?
  • À ton avis, une tour de chute libre comme celle dont il est question dans l’article constitue-t-elle un manège respectueux de l’environnement? Justifie ta réponse.
  • La loi de Lenz pourrait-elle nous aider à concevoir un système de freinage pour automobiles ne faisant appel ni à l’électricité ni à la friction? Explique ta réponse.
  • La technologie et les principes sur lesquels repose la conception du système de freinage pour les manèges des parc d’attractions servent aussi à construire des canons électriques. Est-il possible de réserver à des fins pacifiques l’application des nouvelles technologies?

Relier la science et la technologie à la société et à l'environnement

  • Explique comment le développement d’un système de freinage sans friction utilisant des aimants illustre parfaitement la convergence de la science et de la technologie?
  • À ton avis, une tour de chute libre comme celle dont il est question dans l’article constitue-t-elle un manège respectueux de l’environnement? Justifie ta réponse.
  • La loi de Lenz pourrait-elle nous aider à concevoir un système de freinage pour automobiles ne faisant appel ni à l’électricité ni à la friction? Explique ta réponse.
  • La technologie et les principes sur lesquels repose la conception du système de freinage pour les manèges des parc d’attractions servent aussi à construire des canons électriques. Est-il possible de réserver à des fins pacifiques l’application des nouvelles technologies?

Explorer les concepts

  • Comment peut-on expliquer le système de freinage du manège en utilisant la loi de Lenz?
  • Pourrait-on appliquer la loi de Lenz dans les systèmes de freinage pour automobiles? Explique ta réponse.
  • Par quels autres moyens pouvons-nous tirer parti de la loi de Lenz et du magnétisme?

Explorer les concepts

  • Comment peut-on expliquer le système de freinage du manège en utilisant la loi de Lenz?
  • Pourrait-on appliquer la loi de Lenz dans les systèmes de freinage pour automobiles? Explique ta réponse.
  • Par quels autres moyens pouvons-nous tirer parti de la loi de Lenz et du magnétisme?

Nature de la science et de la technologie

  • À ton avis, l’énergie produite par les aimants en mouvement pourrait-elle devenir une source d’énergie? Explique ta réponse.
  • Ni Faraday ni Lenz ne pouvaient prédire les types d’applications de leurs découvertes. Est-ce que cela suscite des préoccupations dans ton esprit concernant les découvertes scientifiques d’aujourd’hui. Justifie ta réponse.

Nature de la science et de la technologie

  • À ton avis, l’énergie produite par les aimants en mouvement pourrait-elle devenir une source d’énergie? Explique ta réponse.
  • Ni Faraday ni Lenz ne pouvaient prédire les types d’applications de leurs découvertes. Est-ce que cela suscite des préoccupations dans ton esprit concernant les découvertes scientifiques d’aujourd’hui. Justifie ta réponse.

Littératie médiatique

  • Comment les parcs d’attractions sont-ils présentés au cinéma ou à la télévision? Compte tenu de l’image que l’on en donne, te sens-tu en sécurité à la perspective de monter dans les manèges? Justifie ta réponse.
  • Comment les chaînes d’information rapportent-elles les accidents survenus dans les parcs d’attractions? Explique ta réponse.

Littératie médiatique

  • Comment les parcs d’attractions sont-ils présentés au cinéma ou à la télévision? Compte tenu de l’image que l’on en donne, te sens-tu en sécurité à la perspective de monter dans les manèges? Justifie ta réponse.
  • Comment les chaînes d’information rapportent-elles les accidents survenus dans les parcs d’attractions? Explique ta réponse.

Suggestions pour l'enseignement

  • L’article et les vidéos intégrées peuvent servir pour l’enseignement ou enseignante et l’apprentissage du génie et de la technologie, des mathématiques et de la physique, particulièrement dans le domaine de l’électromagnétisme, des champs magnétiques et des transformations de l’énergie. Ils introduisent les concepts d’induction électromagnétique, de la loi de Lenz, de courant électrique, de champ magnétique dynamique, de circuit, de courant alternatif, de tube à courants de Foucault, de la loi de la conservation de l’énergie, d’énergie cinétique, de transformation de l’énergie et d’énergie électrique. 
  • Pour aborder ce sujet, les élèves peuvent lire l’article et regarder les vidéos intégrées.
  • Pour mieux comprendre les concepts, les étudiants peuvent ensuite regarder la vidéo World's First Electric Generator (3 min 48 sec – en anglais seulement).
  • L’enseignant ou enseignante peut utiliser la stratégie d’apprentissage axée sur un Tournoi des idées principales pour aider les élèves à résumer et à regrouper l’information qu’ils ont retenue en lisant l’article et en regardant les vidéos. Il est possible de télécharger les fiches reproductibles prêtes à utiliser faisant appel à cette stratégie d’apprentissage en format [Google doc] ou [.pdf].
  • Pour terminer, les élèves peuvent remplir un billet de sortie. L’enseignant ou enseignante peut recueillir les billets de sortie pour les passer en revue afin d’évaluer l’apprentissage. Il est possible de télécharger en format [Google doc] ou [.pdf] la fiche reproductible du billet de sortie prête à utiliser pour ce sujet.

Suggestions pour l'enseignement

  • L’article et les vidéos intégrées peuvent servir pour l’enseignement ou enseignante et l’apprentissage du génie et de la technologie, des mathématiques et de la physique, particulièrement dans le domaine de l’électromagnétisme, des champs magnétiques et des transformations de l’énergie. Ils introduisent les concepts d’induction électromagnétique, de la loi de Lenz, de courant électrique, de champ magnétique dynamique, de circuit, de courant alternatif, de tube à courants de Foucault, de la loi de la conservation de l’énergie, d’énergie cinétique, de transformation de l’énergie et d’énergie électrique. 
  • Pour aborder ce sujet, les élèves peuvent lire l’article et regarder les vidéos intégrées.
  • Pour mieux comprendre les concepts, les étudiants peuvent ensuite regarder la vidéo World's First Electric Generator (3 min 48 sec – en anglais seulement).
  • L’enseignant ou enseignante peut utiliser la stratégie d’apprentissage axée sur un Tournoi des idées principales pour aider les élèves à résumer et à regrouper l’information qu’ils ont retenue en lisant l’article et en regardant les vidéos. Il est possible de télécharger les fiches reproductibles prêtes à utiliser faisant appel à cette stratégie d’apprentissage en format [Google doc] ou [.pdf].
  • Pour terminer, les élèves peuvent remplir un billet de sortie. L’enseignant ou enseignante peut recueillir les billets de sortie pour les passer en revue afin d’évaluer l’apprentissage. Il est possible de télécharger en format [Google doc] ou [.pdf] la fiche reproductible du billet de sortie prête à utiliser pour ce sujet.

En savoir plus

Références

Larsen International Inc. (n.d.). Super shot ride description.

Physics Classroom. (n.d.). Kinetic energy.

Travel China Guide. (n.d.). Shanghai maglev train (SMT).

Tuckerman, M. E. (2011, septembre 3). Law of conservation of energy. New York University.

Unterman, N. A. (2005, juin 21). Free fall ride braking. U.S. Department of Energy, Office of Science.