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

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?

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.

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.

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.

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. 

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 !