L'énergie cinétique / L'énergie potentielle

[Metahuit]

Je me souviens d'un épisode de l’émission C’est pas sorcier sur "Les plus grands manèges du monde" (

), dans lequel Fred et Jamy expliquent quelque chose de très logique : la vitesse d'une montagne russe est proportionnelle à la hauteur de ses descentes, en commençant par la première (en dehors des launches modernes, bien sûr).


Cependant, je me demande comment des descentes visuellement petites, comme celle du Wood Express au Parc Saint-Paul ou même les photos du futur Wild Buffalo à la Mer de Sable, peuvent permettre au train de maintenir une bonne vitesse tout au long du parcours. Je suppose que Wild Buffalo jouera sur les collines, car il semble que le parcours commence sur une colline, mais cela m'intrigue.


Alors, comment expliquer à un néophyte comme moi, en termes simples et concrets, comment un train peut parcourir un tel parcours grâce à une descente qui semble de taille modeste ? Si des ingénieurs ou des passionnés de sciences peuvent éclairer ma lanterne, je suis preneur !

 

[Kikintamin]

Alors, comment expliquer à un néophyte comme moi, en termes simples et concrets, comment un train peut parcourir un tel parcours grâce à une descente qui semble de taille modeste ? Si des ingénieurs ou des passionnés de sciences peuvent éclairer ma lanterne, je suis preneur !

Globalement, la vitesse maximale d'un grand huit importe peu. En vérité, la sensation de vitesse ressentie est due à la variation de la vitesse. Si tu es en voiture à 110 km/h depuis 10 minutes, au final, tu ne ressens rien. Ce qui compte, c'est finalement, comme dit précédemment, la variation de la vitesse, qui en termes physiques s'exprime par l'accélération.

Si on applique cela au monde des montagnes russes, on se retrouve avec des petits coasters qui maintiennent une vitesse élevée tout en la faisant varier grâce à des bosses provoquant des airtimes ou des G-lat/G-vert. Cela crée un effet de dynamisme qui rend un manège intéressant, d'où l'importance du layout (parcours).

C'est pour ça qu'on trouve parfois de vieux woodens très "plan-plan" malgré une vitesse de 90 km/h, alors qu'à côté, de petits woodens new-gen comme Wood Express, Timber ou Wild Buffalo sont bien plus dynamiques, bien qu'ils soient plus petits. L'adage "petit mais costaud" est donc bel et bien réel.

De plus, un coaster qui interagit avec le décor et joue avec le champ de vision du rider permet d'accentuer la sensation de vitesse (exemple de Taron avec ses tranchées).

Et pour répondre à la deuxième partie de ta question, le lift permet au train d’accumuler de l'énergie potentielle (exprimée en joules), qui va ensuite se transformer en énergie cinétique sous l'effet de la gravité. En théorie, plus le train monte haut, plus sa vitesse sera élevée en bas de la first drop.

Les ingénieurs calculent donc l'énergie nécessaire au train pour boucler le parcours. C'est la vision simplifiée du concept, car en réalité, les frottements et diverses forces extérieures viennent altérer ce schéma parfait. En plus de ces aspects techniques, il faut aussi prendre en compte le côté "fun" d'une attraction. Le but est de provoquer des sensations fortes aux passagers, notamment par les forces ressenties sur un grand huit. Ces forces sont générées par l'inertie du train (vitesse) et/ou son accélération.

En espérant que ce soit assez clair.

 

[Metahuit]

Globalement, la vitesse maximale d'un grand huit importe peu. En vérité, la sensation de vitesse ressentie est due à la variation de la vitesse. Si tu es en voiture à 110 km/h depuis 10 minutes, au final, tu ne ressens rien. Ce qui compte, c'est finalement, comme dit précédemment, la variation de la vitesse, qui en termes physiques s'exprime par l'accélération.

Si on applique cela au monde des montagnes russes, on se retrouve avec des petits coasters qui maintiennent une vitesse élevée tout en la faisant varier grâce à des bosses provoquant des airtimes ou des G-lat/G-vert. Cela crée un effet de dynamisme qui rend un manège intéressant, d'où l'importance du layout (parcours).

C'est pour ça qu'on trouve parfois de vieux woodens très "plan-plan" malgré une vitesse de 90 km/h, alors qu'à côté, de petits woodens new-gen comme Wood Express, Timber ou Wild Buffalo sont bien plus dynamiques, bien qu'ils soient plus petits. L'adage "petit mais costaud" est donc bel et bien réel.

De plus, un coaster qui interagit avec le décor et joue avec le champ de vision du rider permet d'accentuer la sensation de vitesse (exemple de Taron avec ses tranchées).

Et pour répondre à la deuxième partie de ta question, le lift permet au train d’accumuler de l'énergie potentielle (exprimée en joules), qui va ensuite se transformer en énergie cinétique sous l'effet de la gravité. En théorie, plus le train monte haut, plus sa vitesse sera élevée en bas de la first drop.

Les ingénieurs calculent donc l'énergie nécessaire au train pour boucler le parcours. C'est la vision simplifiée du concept, car en réalité, les frottements et diverses forces extérieures viennent altérer ce schéma parfait. En plus de ces aspects techniques, il faut aussi prendre en compte le côté "fun" d'une attraction. Le but est de provoquer des sensations fortes aux passagers, notamment par les forces ressenties sur un grand huit. Ces forces sont générées par l'inertie du train (vitesse) et/ou son accélération.

En espérant que ce soit assez clair.

C'est absolument passionnant, parfaitement clair et très bien expliqué, merci infiniment @Kikintamin

 

[Lamaphoque]

C'est vrai que dans ce genre de machine les frottements doivent être colossaux, que ce soit les frottements de l'air, ou même des roues.

Cependant ces frottements (surtout de l'air) doivent je pense, très fortement augmenter la sensation de vitesse. Si on sent l'air fouetter son visage, on a l'impression d'aller vite, donc même si la variation de vitesse est faible, on peut quand même la ressentir (contrairement à ce qu'on peut ressentir dans une voiture sur l'autoroute par exemple, là pour le coup, on ne perçoit pas la vitesse).

Bon, ça change pas que certaines machines rapides peuvent être bien molles, genre Silver Star. De toute façon je trouve que les sensations les plus intéressantes restent les G-, mais des bonnes accélérations, ça reste quand même bien sympa...

 

[flyfish]

Pour ajouter quelques infos sur l’énergie : Comme dit par @Kikintamin, l’énergie potentielle (la hauteur) est transformée en énergie cinétique (la vitesse) et inversement. Or, la loi de conservation de l’énergie nous dit que l’énergie est stable dans un système isolé. Cela signifie que si on construisait un roller coaster avec des roues et roulements « parfaits » (100% de rendement) dans une grande cloche sous vide, le train pourrait remonter indéfiniment des bosses de la même hauteur que le lift.

Ce qui ralentit le train dans le monde réel, ce sont les frottements, et principalement :

- le frottement des roues sur le rail et des roulements : ça dépend de plusieurs facteurs, comme la température et les matériaux. c’est pour cette raison que certains coasters peuvent nécessiter un changement des bandes de roulement (le plastique autour des roues) selon la saison et donc la température ;

- le frottement de l’air sur le train : là aussi ça dépend de plein de facteurs, mais la vitesse joue un rôle particulier : elle est au carré dans la formule, donc plus ça va vite plus ça résiste (pour 10 kmh tu as 10 de résistance de l’air, pour 20 tu as 40, pour 30 tu as 90, etc : l’augmentation n’est pas linéaire). C’est à cause de ce phénomène qu’en chute libre au bout d’un moment la vitesse arrête de croître, c’est aussi pour ça qu’Intamin doit installer un lauch dans une drop pour battre le record de vitesse avec Falcon’s Flight actuellement en construction à Six Flags Quiddiya.

Et pour finir, comme dit au début, l’énergie ne peut pas disparaître : pour les roues elle est transformée en chaleur, et pour les frottements de l’air en turbulences.

J’espère que c’est assez vulgarisé, n’hésite pas si tu as des questions !

 

[Lamaphoque]

Mais du coup en théorie, est-ce qu'on pourrait battre un record de vitesse si l'air autour du train de déplaçait dans le même sens, la même direction et la même vitesse ? En gros avec des giga ventilo quoi. Ma question est peut être bête mais vu les projets un peu fou qu'ils font en Arabie Saoudite, on n'est peut-être pas à l'abri d'une machine dans ce genre

 

[Kikintamin]

Mais du coup en théorie, est-ce qu'on pourrait battre un record de vitesse si l'air autour du train de déplaçait dans le même sens, la même direction et la même vitesse ? En gros avec des giga ventilo quoi. Ma question est peut être bête mais vu les projets un peu fou qu'ils font en Arabie Saoudite, on n'est peut-être pas à l'abri d'une machine dans ce genre

Ça dépend du système utilisé, en théorie oui c'est possible, mais en pratique c'est une installation vraiment inutile pour un coaster c'est plus utilisé pour l'aérodynamique/aéromodélisme

 

[BenJ]

Mais du coup en théorie, est-ce qu'on pourrait battre un record de vitesse si l'air autour du train de déplaçait dans le même sens, la même direction et la même vitesse ? En gros avec des giga ventilo quoi. Ma question est peut être bête mais vu les projets un peu fou qu'ils font en Arabie Saoudite, on n'est peut-être pas à l'abri d'une machine dans ce genre

Les solutions plus souvent utilisées sont :
- pour réduire la force de frottement solide des rails =>placer l'objet en mouvement en sustentation grâce à des aimants (je pense évidemment au Maglev, le train magnétique),
- pour réuire la force de frottement liquide de l'air => Faire le vide dans un tube, dans lequel se déplace l'objet. Ici je pense au projet de Musk (Hyperloop) qui voulait creuser un tunnel entre New-York et Los Angeles, et faire aller des capsules jusqu'à 1,220 km/h. Ce qui n'a jamais été rendu réel, je précise.