Centrale Physique PSI 2005

Thème de l'épreuve Modélisation du trafic routier
Principaux outils utilisés physique ondulatoire, automatique, mécanique du point

Corrigé

(c'est payant, sauf le début): - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

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_OEn_ Ë... . «_ ...:0.oe>zaëäw mêw uoeäQ:OE .. QOEËOEU mäoocoü j est le nombre complexe de module 1 et d'argument + u/ 2 et donc j2 = --1 . Rappel mathématique : ' 2 étant un nombre complexe et n un entier naturel,on a pour 2 := 1 l'égalité : zn+l 1+z+z+.. =iîoz : 1 Pour n infini, si lzl < 1 alors la somme infinie vaut ---- 1-- --z Ce sujet traite divers aspects dela circulation automobile: fluidité ou non d'un trafic routier, formation de bouchons, marche en accordéon. .. Aucune connais- sance préalable n'est requise sur une quelconque théorie du trafic routier. Les deux premières parties correspondent à un modèle continu du trafic routier. La première partie concerne le régime stationnaire où toutes les voitures, sépa- rées d'une même distance L , ont une vitesse v indépendante du temps t. La deuxième partie s'intéresse aux régimes dynamiques. Enfin la troisième partie, qui est dans une large mesure indépendante des deux premières, traite du pro- blème spécifique de la formation de bouchons en accordéon, dans le cadre d'un modèle discret où chaque voiture est répertoriée. Dans tout le problème on appelle L0 la longueur des voitures que l'on suppose toutes identiques. On simplifie le problème en ne considérant qu'une route mono-voie en ligne droite. On repère la position d'une voiture par l'abscisse x et le flux de voitures est dirigé vers les x croissants. Préliminaires : .1) Expliquer brièvement à quoi correspond le « modèle continu» en mécanique des fluides. Transposer ce modèle à l'étude du trafic routier. On se place dans ce cadre pour les parties I et II. 2) On appelle n(x, t) la concentration de voitures par unité de longueur de route à l'abscisse x et à l'instant t. ' a) Donner l'unité de n. h) Déterminer la valeur nmax du domaine de définition [0; nu...] de n. 3) On appelle j (x t) le débit de Voitures, c'est-à-dire le nombre de voitures par unité de temps traversant la section de la route située a l'abscisse x. a) Donner l'unité de j. - b) Montrer que j(x, t) : n(x, t) v(x, t) où v(x, t) est la vitesse des voitures passant en x à l'instant t . Connaissez vous d'autres domaines de la physique obéissant à une loi de même nature ? Lesquels ? Partie I - Le diagramme fondamental On cherche dans cette partie à établir une relation entre concentration n et vitesse v dans le cas du régime stationnaire (les voitures sont alors régulièrement réparties le long de la route), puis à tracer la courbe reliant le débit à la concentration, soit j(n). Cette courbe est appelée diagramme fonda- mental. ' LA - Modèle de la distance de sécurité . On appelle 151 le temps de réaction supposé identique pour chaque automobi- liste. Ce temps correspond au temps de perception (temps que va mettre l'auto- mobiliste pour reconnaître un obstacle ou une modification du trafic) augmenté du temps de décision (temps nécessaire pour décider de ralentir ou d'accélérer). On suppose que la distance L(v) séparant deux « avants » de voitures consécu-- tives ala forme suivante : L(v) = Cv2+tlv+Lo. L constitue la distance permettant d'éviter un accident dans le cas où la voiture de devant stoppe de façon nette. I A 1) Justification de l'expression. On cherche à justifier l'expression précédente. On ne s i'ntéresse pour les ques-- tions I. A. 1- -a et I .A. 1-b qu' au premier terme de L(v). a) Que représente ce premier terme ? En déduire l'expression de C en suppo-- sant que la voiture subit une force de frottement de module fMg pendant la phase de freinage, où f est le coefficient de frottement caractéristique de l'inter-- face caoutchouc (du pneu) - bitume (de la route) et M désigne la masse de la voi-- ture. b) Le code de la route donne le tableau suivant pour les distances de freinage en fonction de la vitesse : _...m _u... Montrer graphiquement que la distance de freinage est bien proportionnelle à la vitesse au carré. En déduire la valeur numérique du coefficient de frottement f. On donne g = 9, 8 ms_2. c) Interpréter le second terme puis le troisième et en déduire la cohérence d'une telle représentation de L(v) . Bien que L(v) constitue la distance permettant d'éviter un accident dans le cas où un obstacle apparaît brutalement sur la route, la distance de sécurité recom-- mandée par la sécurité routière est telle que C = 0 , dans la mesure où le véhi- cule situé devant ne s'arrête jamais de manière instantanée. Nous garderons ainsi cette hypothèse dans toute la suite. Par ailleurs, la sécurité routière donne un moyen simple pour ajuster sa dis- tance de sécurité (distance entre l'avant de son véhicule et l'arrière du véhicule précédent) : divisez votre vitesse (en km/h ) par 2 et cela donne cette distance (en m ). d) En déduire la valeur numérique de 171 . En pratique, les conducteurs ne respectent pas forcément les distances de sécu-- rité. Ainsi, le temps 1: 1 est à remplacer par un temps 'td que l'on supposera éga- lement constant : L(v) : 1:dv + L() , expression que l'on utilisera pour la suite, où "Cd peut avoir une valeur différente de 1:1 . -I.A.2) Modèle asymptotique (A) a) Démontrer le lien simple qui existe entre n et L(v) . En déduire v(n) puis 1 (n) - b) Pourquoi ces relations ne sont-elles pas valables à trop faible concentration ? Sur la route que l'on étudie, la vitesse est limitée à v... c) En déduire que les relations du I. A. 2- a) ne sont valables que si n > no , valeur dont on donnera l'expression. (1) Que vaut j(n) si n  nc : On cherche à déterminer la vitesse de pro- pagation U (algébrique) de l'onde de choc dans le référentiel de la route, c'est-à-- dire la vitesse de déplacement du front de concentration séparant les deux par-- ties dela courbe ci-dessus. a) On se place dans le référentiel lié àla route. En écrivant la conservation du nombre de voitures entre t et t + At , démontrer la formule de Rankine- Hugoniot : ' ' j 2 -- j 1 n2""1 U: b) Retrouver ce résultat en raisonnant dans le référentiel lié au front de concen-- tration. c) Comment peut--on mesurer graphiquement la vitesse U sur le diagramme fondamental ? II.B - Application : disparition d'un bouchon créé par un tracteur On s'intéresse à un phénomène arrivant couramment en campagne : un tracteur arrive soudainement sur une route où il est interdit de doubler, créant ainsi un bouchon. Au bout de 3 km , il quitte la route. On cherche à Tronçon de 3 km savoir combien de temps le bouchon va subsister une fois que le tracteur aura délaissé la portion ;» 1 de route. _ "| D |___--' II.B.1) La route a initialement une concentra- Entrée Sort1e tion de 25 véhicules/km. Le tracteur roule à 10 km/h et la vitesse est limitée à 50 km/h. Le diagramme fondamental est donc celui de la section I.C. a) À quel point de fonctionnement du diagramme fondamental correspond la circulation initiale sur la route (sans le tracteur) ? On nommera (n 1, j 1) les coor-- données de ce point. Le trafic est--il fluide ou congestionné ? b) À quel point de fonctionnement du diagramme fondamental correspond la vitesse du tracteur ? On nommera (n2, j2) les coordonnées de ce point. Le trafic est-il alors fluide ou congestionné ? c) Tracer l'allure du profil de concentration n(x) à une date quelconque lorsque le tracteur est sur la voie. On repérera par x, l'abscisse du tracteur. On mon- trera sans calcul que le profil est constitué de 4 différents paliers (dont deux sont au même niveau). (1) Calculer la vitesse U 1 de l'onde de choc. e) A quelle vitesse la longueur du bouchon augmente--t-elle ? Après avoir calculé le temps mis par le tracteur pour parcourir le tronçon de 3 km , en déduire la lon- gueur du bouchon juste avant que le tracteur ne quitte la route. f) Combien de véhicules sont derrière le tracteur, dans le bouchon, juste avant que le tracteur ne quitte le tronçon ? II.B.2) Quand le tracteur quitte la route, on fait l'hypothèse que le flot de voi- tures situé en avant du peloton passe au point de débit maximal (nC,'jC). Le bouchon se résorbe donc progressivement par l'avant. a) Tracer l'allure du profil de concentration n(x) . On repérera par x d la position du début du bouchon et x f la position de la fin du bouchon. b) Calculer la vitesse U 2 de l'onde de choc sur le front avant du bouchon. c) En déduire à quelle vitesse la longueur du bouchon diminue. On n'oubliera pas qu 'il y a deux contributions aux variations de la longueur du bouchon. les voitures arrivant à l'arrière et les voitures sortant à l'avant. (1) Connaissant la longueur du bouchon quand le tracteur quitte la route (ques- tion II.B.1--e), en déduire le temps que va mettre le bouchon pour se résorber complètement. Partie III - Création de bouchons en accordéon Les sections C et D peuvent être traitées Sans avoir abordé la section B. Cette dernière partie tente de L 0 L 0 prendre en compte le temps de '----'*--' réaction des conducteurs dans 0 ' Ûn_1 O,, O,, ... l'étude de l'écoulement du tra- --|--------__l_--|.__|_--> fic. Ainsi, la relation locale j(n) ' ïEn--1 E%n ; Ën+1 n'est plus valable dans le cas d'un régime variable quelcon- ----.-- ------> ---->-- que. Par ailleurs, le modèle con-- E--> @» LÎË-> : G : G ' ' Gn + 1 tinu est remplacé par un _ ,, _ , modèle discret où chaque véhi- 'T-- ? cule est répertorié. Les véhicu-- ° " les vont ainsi être considérés comme une chaîne infinie d'oscillateurs couplés. Les voitures sont numérotés par le nombre entier n. On repère la position G,, de l'avant du véhicule n par rapport au point O,, , où DO,, : nL0 . Les points O,, sont ainsi régulièrement espacés d'une distance L0 et lorsque les G,, sont con- fondus avec les O,, , toutes les voitures sont pare-chocs contre pare-chocs. On note EUR,, = O,, G,, (algébrique). III.A- Comportement d'un conducteur suivant la voiture qui le précède Tous les conducteurs sont supposés se comporter de la même façon. Le trafic est suppose congestionné de telle sorte que chaque conducteur tente d'adapter sa vitesse pour respecter la distance de sécurité avec la voiture qui le précède. Cette vitesse dite de référence est donnée par l'équation vréf ,,(t) : D,,(t)/rd où D,,(t) représente la distance entre l'arrière du véhicule n + 1 et l'avant du véhi- cule n , "td étant une constante homogène à un temps (ayant été définie àla par-- tie I). L'équation qui traduit le comportement du conducteur de la voiture _n ayant une vitesse notée v,,(t) s'écrit : 2"dv -ä-'(t) + u ,,(t) = vf,éf(t-- r,) où 1:, et 12 dtsont des constantes caractéristiques'propres à l'ensemble conducteur + voiture. HLA. 1) Pour comprendre cette équation, on étudie la réponse à un échelon de vitesse: on suppose vréf ,,(t) = 0 si t0. a) Vérifier que v,,(t) : 0 pour t < 0 est bien solution. b) Que vaut v,,(t) pour 0 < t <1:1 ? c) Déterminer Un(t) pour t >1:1 . (1) Donner l'allure de vréfn(t) et vn(t) en fonction du temps. Introduire graphi-- quement le temps 1:2 . e) Donner une signification aux deux constantes 1:1 et 12 (on demande une interprétation qualitative). III. A. 2) On se place en régime sinusoïdal forcé et l'on utilise la notation com-- plexe. Les grandeurs complexes associées sont notées avec une barre en-dessous (notation utilisée dans toute la suite du problème): vré fn=(t) V0 exp ( ](Dt) réf 3) Déterminer v n(t) et en déduire la fonction de transfert H (ou) définie par a (t)/v...» (t) h) Montrer que si oe1:1 « 1 et oe1:2 « 1 , la fonction de transfert est équivalente à celle d'un filtre passe--bas d'ordre 1 de pulsation de coupure 1/1 où 17 s'exprime très simplement en fonction de 171 et 12 (pour cela, on pourra identifier les déve-- loppements limités à l'ordre 1 en m de l'inverse des deux fonctions de transfert). c) En déduire dans cette approximation la nouvelle équation différentielle (que l'on utilisera pour la suite) reliant v n(t) et sa dérivée à vréf n.(t) III. A. 3) a) Comment/s'écrit Dn(t) en fonction des ën(t) ? b) En déduire l'équation différentielle du second ordre reliant un(t) à Un +1(t) : III.A.4) On traite le cas d'un régime sinusoïdal forcé par la voiture de devant : Qn + 1(t) : Vo exp ( j oet) en utilisant à nouveau la notation complexe. La vitesse de la voiture n peut alors s'écrire v n(t) : H (01) V() exp ( joet). a) Déterminer la fonction de transfert H (w) = v "(t)/vn 1(t). b) Donner l'expression du module de H(oe) et de son argument noté (p(oe) . c) Résoudre l'équation |H(oe)l : 1 avec (» == 0 . On note a)] la solution lorsqu'elle existe. ' (1) Montrer que IH (oe)| peut posséder un eXtremum en oemax == 0 à une certaine condition. e) Comment s'exprime oemax en fonction de co1 ? f) Dessiner l'allure de |H(oe)l en fonction de m dans les différents cas. III.B - Relation de dispersiOn III.B.1) On suppose que on: « 1 et nord « 1 . Un développement limité de |H(oe)l au deuxième ordre en oe aboutit à : |H(oe)l --- 1 + td(r ---1:d/ 2) (oz. Procéder de même avec cp(oe) , III.B.2) On cherche des solutions pour le déplacement des différents véhicules sous forme d'ondes progressives sinusoïdales de la forme : Ën(t) : î--;Oexp (j(oet--knLo)) , où k est a priori un nombre complexe : k = k' +jk" (k' et k" réels). a) Comment s'écrivent alors les Qn(t) ? En déduire l'expression du rapport E(OE) = Qn(t)/Qn+l(t)- b) En identifiant ce rapport avec les résultats du III.B.1, déduire la relation de dispersion k = f (oe) :Montrer que k' : --(oerd)/LO et donner l'expression de k". c) Calculer la vitesse de propagation d'une l'onde ën(t) . Montrer que le résultat obtenu par ce modèle discret utilisant la notion de distance de sécurité (avec cord « 1 ) est très proche de l'un de ceux de la question II.A.3-g qui était dû à un modèle continu. En comparant la longueur d'onde ?» de l'onde associée à Ën(t) à la distance L0 commune aux deux modèles, justifier qualitativement cette concordance. III.C - Analyse du modèle Cette section reprend et analyse les résultats du III.A. On peut observer quel- que fois sur des autoroutes où le trafic est relativement dense l'apparition « d'accordéons » :les bouchons se succèdent et obligent le conducteur à accélérer à la sortie d'un bouchon pour ensuite ralentir à l'entrée du prochain. La figure ci-dessous est le schéma d'une telle situation. DEJEJD D D OEOEOEOEDOEEËOE III.C.1) Le mouvement d'un véhicule peut être alors vu comme un mouvement uniforme additionné d'un mouvement oscillant. En supposant les oscillations sinusoïdales, la vitesse de la voiture n + 1 s'écrit donc, avec VO < VC : "n+1(t) = VC + Vocos(oet) . a) Comment s'écrit alors la vitesse de la voiture n en fonction de Vc , V0 , |LI(oe)| et cp(oe) ? b) Calculer et interpréter les limites de |I_i(oe)l lorsque la fréquence tend vers 0 ou 00. c) À quelles conditions sur t et ou les oscillations s'amplifient-t-elles en amont de la file ? d) Expliquer pourquoi un flot uniforme de voitures est instable si 1: est trop grand. e) En admettant que c'est la configuration la plus instable (c'est-à--dire où l'amplification est la plus grande) qui s'impose devant les autres, donner la période temporelle Tacc des oscillations des véhicules dans l'accordéon. III.C.2) Les valeurs numériques pour 11 et l1:d dépendent de beaucoup de para- mètres (condition météorologique, heure de la journée, respect des distances de sécurité...). On donne 1: = 2, 9 s et rd : 0,9 s. a) Est--on dans une situation où les accordéons peuvent apparaître spontanément ? b) Calculer numériquement Tacc. En pratique, les périodes observées sont de l'ordre de quelques minutes. Commenter. III.D - Amélioration du modèle Le défaut du modèle de la section III.A vient principalement du fait qu'en pra- tique un conducteur anticipe en regardant au-delà de la voiture qui le précède immédiatement. Ce défaut peut être corrigé en modifiant l'expression de la vitesse de référence qui s'écrit maintenant : f K vff (t) = a[Dn(t)+q Dn+l(t)+q xq Dn+2(t)+q3Dn+3(t)+ ...] +oe f K ' Uäé (t) : ;--l:Dn(t) + 2 qan +i(t):l d i = 1 que l'on écrira sous la forme encore plus compacte : väéf(t) : E[ 2 qiDn+i(t):l avec 0 5 q < 1 et K étant une constante de normalisation. Ainsi, le conducteur de la voiture n prend en considération pour fixer sa vitesse de référence les distan_-- ces Dn " entre la voiture n + i et n + i + 1 avec un coefficient de pondération K q' pour i allant de 0 à l'infini. III.D.1) a) Calculer K en fonction de q pour que, lorsque i ---+ oo , la somme des coeffi- cients pondérateurs soit égale à l'unité. Par la suite, K conservera cette valeur. b) Que doit valoir q pour se retrouver dans le cas du III.A où le conducteur prend en compte uniquement la voiture qui le précède ? c) On estime que, dans l'anticipation d'un conducteur, les N voitures qui le pré- cèdent directement comptent pour 90% dans l'estimation de la vitesse de réfé- rence. En déduire q en fonction de N . III.D.2) En s'inspirant de ce qui a déjà été fait, on cherche les solutions de la forme : Qn(t) : Voexp ( j (oet -- knL0)) et l'on cherche à calculer la nouvelle fonction de transfert I_Jq(oe) : Qn(t)/Qn+ 1(t) : exp(jkL0) . On rappelle que k peut être un nombre complexe. réf a) Comment s'écrit dQn /dt en fonction des u (t) ? --n+i b) À partir de l'équation déduite du III.A.2-c, montrer que : 1 q+q(jt oe 1:1: (02) ° _ d fiq(oe) = ----.--L----r 1--q+Jtdoe--ttdoe à condition que |Hq(oe)| > q III.D.3) La ifigure ci- lÏ--I ((")l contre represente la " courbe |Hq (oe)| en '-- fonction de (» (expri-- .. mée en s*1 ) pour diffé- rentes valeurs du paramètre q , avec l'expression de Ï_Iq(oe) déduite de la question précédente. Les valeurs numériques sont les suivantes : 1:= 2,9s etrd : 0,9 s. a) En faisant abstrac- tion de la condition |Hq ( oe)| > q, déduire de l'étude de ces courbes l'influence du degré d'anticipation des conducteurs sur la formation de bouchons en accordéon. b) Les courbes ne sont en fait valables que si |Hq (oe)| > q. Expliquer pourquoi la conclusion reste cependant la même (on rappelle que 0 5 q 5 1 ). III. D. 4) L'équation |Hq (oe)|= , w := 0, a une unique solution notée m' 1 lorsqu'elle existe. Quelques lignes d'un calcul non demandé aboutissent a: m' --1 2--1:(.1;2)_1 1_1: Ici 1+q a) En déduire l'inégalité faisant intervenir T , "Cd et q pour que le phénomène d'accordéon ne puisse pas se produire. b) En faisant l'approximation que la formule du III. A. 4-e est toujours valable, et toujours dans l'hypothèse du III. C. Le, donner la nouvelle expression de Tom dans le cas où les accordéons apparaissent. c) Application numérique : 17 = 2, 9 s et N = 7. Calculer la valeur de q corres- pondante. Dire si des bouchons en accordéon apparaissent et dans l'affirmative, calculer la période temporelle des oscillations dans les deux cas suivants : i)'td : 0,9 s ii)Td : l, 8 S Conclure. 00. FIN ooo

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 Centrale Physique PSI 2005 -- Corrigé Ce corrigé est proposé par Julien Dumont (ENS Cachan) ; il a été relu par Vincent Fourmond (ENS Ulm) et Jean-Julien Fleck (ENS Ulm). Cette épreuve porte sur l'étude du trafic routier. À partir d'une modélisation de ce dernier, le sujet tente de répondre à différentes questions, telles que la fluidité du trafic, la formation de bouchons, les temps de résorption d'irrégularités de circulation, etc. L'énoncé comporte trois parties largement indépendantes. · La première propose d'établir le diagramme fondamental permettant d'interpréter la fluidité du trafic en fonction du débit de voitures et de leur concentration. Les outils utilisés sont tous au programme de première année de classes préparatoires. · La deuxième relie la circulation routière à la physique ondulatoire, en utilisant des outils qu'un élève de seconde année connaissant bien son cours maîtrise à coup sûr. · La troisième partie, enfin, tente de modéliser la circulation d'un point de vue individuel et non plus continu comme dans les deux premières parties, et se restreint essentiellement à des manipulations d'équations différentielles et de résultats d'automatique. Le sujet est original et intéressant car il traite, avec des outils simples mais pas toujours d'usage facile, d'une modélisation d'un phénomène de la vie courante et l'aborde sous un grand nombre de points de vue. Par conséquent, il nécessite organisation et concentration pour ne pas se perdre dans la richesse de son énoncé. Il permet de bien s'assurer de la maîtrise d'un certain nombre d'outils mathématiques de base utiles en physique. Enfin, quelques questions sont très difficiles aussi bien au niveau calculatoire que théorique, et nécessitent de très bien maîtriser le cours, mais aucune ne bloque la suite du sujet si l'on en n'a pas la solution. Le candidat devrait prendre plaisir à travailler une telle épreuve lors de ses révisions. Indications Préliminaires 2.b Se demander ce qui limite la concentration de voitures. Partie I I.A.1.a Appliquer le théorème de l'énergie cinétique. I.A.2.a Reprendre le raisonnement de la question 2.b des préliminaires et revenir à la définition de L(v). I.C.1 Comment se caractérise une circulation fluide ? Congestionnée ? Caractériser graphiquement un débit de véhicules fixé. Partie II II.A.2.a Comme pour tout bilan, il faut expliciter le fait que l'accumulation de véhicules est égale à la différence entre les flux entrant et sortant de voitures. II.A.3.a Ne pas se laisser abuser par la formulation délibérément paradoxale de l'énoncé. Réfléchir sur les différents sens du terme « instantané » utilisé. II.A.3.f Étudier le signe de la vitesse de groupe. II.A.3.g Revenir à la définition de la vitesse de groupe. II.A.3.h Considérer comment se comportent les valeurs de la vitesse en fonction de n. II.A.4.a Faire un bilan en considérant un volume de contrôle. II.A.4.b Calculer la différence entre la situation à un instant t et celle à un instant t + t lorsque le front a avancé de Ut. II.B.1.b C'est une question assez difficile. Comment caractériser graphiquement le comportement du tracteur ? Comment définir alors le point de fonctionnement du système global ? II.B.1.e La longueur du bouchon est égale à la distance parcourue par le tracteur moins la distance parcourue par le front de l'onde de choc. II.B.2.c Comment les évolutions à l'arrière, puis à l'avant du bouchon, influent-elles sur la longueur de celui-ci ? Partie III III.A.2.a Comment s'exprime un retard en notation complexe ? dn (t). III.A.3.b Utiliser le fait que vn (t) = dt III.C.1.c Que doit vérifier le module de la fonction de transfert pour que les oscillations s'amplifient ? III.D.2.b C'est une question très difficile. Exprimer le lien entre Hq (), v n (t) et v n+i (t) pour i quelconque. Appliquer ce résultat à la question précédente. Préliminaires 1 Le modèle continu en mécanique des fluides consiste à envisager le fluide à une échelle suffisamment grande pour avoir un nombre élevé de particules et obtenir des résultats statistiques, et suffisamment petite devant les dimensions typiques du problème pour considérer la moyenne comme locale. C'est donc une échelle intermédiaire, dite mésoscopique, entre les échelles macroscopique et microscopique. Dans l'étude du comportement du trafic routier, on envisage celui-ci comme un fluide dans lequel les particules sont les véhicules. 2.a La concentration de voitures par unité de longueur de route correspond au nombre de véhicules par mètre, elle s'exprime en m-1 . On peut être tenté d'introduire l'unité veh.m-1 , comme le fait l'énoncé dans le relevé expérimental. Cependant, ce n'est pas une unité légale. De plus, l'ensemble des voitures est un ensemble dénombrable, il n'y a de fait pas lieu d'introduire une unité particulière car une voiture est un élément bien défini (tout comme le serait un nombre d'atomes par exemple), ce qui n'est pas le cas d'un mètre ou d'une seconde par exemple. Par suite, on choisit d'utiliser des unités où le « véhicule » n'intervient pas. 2.b La concentration maximale correspond à une situation où toutes les voitures sont au contact. Dans ce cas, et puisque la longueur des voitures est égale à L0 , la concentration maximale correspond à une voiture pour L0 mètres, soit nmax = 1 L0 3.a Le débit de voitures est le nombre de voitures traversant une section de route par unité de temps. Ainsi, ce débit j s'exprime en s-1 . 3.b Le nombre de véhicules passant à travers une section de route durant dt correspond au nombre de voitures contenues dans le tronçon de route de longueur v(x, t) dt au premier ordre. C'est également j(x, t) dt par définition. En faisant intervenir la concentration de véhicules, ce tronçon contient finalement n(x, t) v(x, t) dt voitures. On peut donc écrire, en identifiant et en simplifiant par dt, j(x, t) = n(x, t) v(x, t) Un grand nombre de domaines de la physique font intervenir une loi du même type. Il suffit en général que l'on s'intéresse aux débits de certaines grandeurs associées à des particules possédant une vitesse. Par exemple, P · en diffusion, le vecteur densité de courant particulaire - = n - v ; i i i - · en mécanique des fluides, le vecteur densité courant de masse - m = m v ; · en électromagnétisme, le vecteur densité de courant associé aux concentrations ni de différentes particules possédant une même charge individuelle q i P et une même vitesse - vi : - elec = ni q i - vi i Ces trois exemples sont une généralisation en trois dimensions du vecteur (ou débit) introduit ici. I. Le diagramme fondamental I.A.1.a Le premier terme représente la distance de freinage consécutive au frottement entre le pneu et le bitume. Plus la vitesse est élevée, plus la distance de freinage est longue. Dans la suite, on la note Lf (v) = Cv 2 . Pour déterminer C, on applique le théorème de l'énergie cinétique entre l'instant initial, où la voiture est à la vitesse v, et l'instant final, où la voiture est arrêtée. Entre temps, la force de frottement Ff = Mf g est la seule à travailler sur une distance Lf (v). On obtient 1 M 02 - v 2 = -Ff .Lf (v) = -M f g Lf (v) 2 ce qui donne Lf (v) = 1 1 2 v 2 fg L'identification de Lf (v) avec l'expression de l'énoncé conduit à C= 1 1 2 fg I.A.1.b On dresse le tableau suivant en utilisant les données légales de longueur (m) et de vitesse (m.s-1 ), afin d'établir les deux séries de données permettant de tracer le nuage de points : Vitesse (km.h-1 ) Vitesse (m.s-1 ) Vit. au carré Lf (m) 40 11 120 8 50 14 190 12 60 17 280 18 70 19 380 24 100 28 770 48 110 31 930 58 120 33 1100 72 Le nuage de points est alors bien 80 décrit par la droite d'équation 70 Lf (v) = 6,4.10-2 v 2 60 soit C = 6,4.10-2 m-1 s2 50 40 On en déduit finalement la valeur du coefficient de frottement 30 en utilisant le résultat de la ques20 tion précédente : 10 1 f= 0,80 2Cg 200 400 600 800 1000 1200