Les Manèges

Photo du Dragon Khan à l’Universal Port Aventura (Espagne), August 2004

Introduction : Il y a des milliers de manèges dans le monde, ces grandes machines qui procurent des sensations à leurs utilisateurs subissent sans cesse différentes forces lors de leurs mouvements. L’utilisation de ces engins est principalement liée au fait qu’ils procurent de la peur et de la joie, de part les différents effets que le corps subit. Les premières montagnes russes ont été crées au 19 ème siècle. LaMarcus Adna Thompson a d’ailleurs déposé un brevet pour les premières montagnes russes le 20 janvier 1865. Depuis, les manèges à sensations fortes ne cessent d’évoluer, et les chercheurs sont en quêtes de nouvelles sensations. A l’heure actuelle, il y a plus d’une quarantaine de sortes de montagnes russes. Nous allons donc étudier comment les forces et les effets agissent sur notre corps en étudiant d'abord les différentes forces et énergies physiques : l'inertie, la gravité, l'énergie cinétique, l'énergie potentielle, la force centrifuge et la force centripète. Nous allons ensuite étudier ce que cela produit au niveau de notre organisme lors de leur utilisation avec l'adrénaline et ce qu'il en résulte.

Problématique : Comment agissent les manèges sur notre organisme ?

I. Manèges : lois physiques et forces

1) La gravité et l'inertie2) L'énergie mécanique, cinétique et potentielle3) Force centrifuge et centripète

II. Manèges : les sensations qu'il procure, l'adrénaline.

1) L'adrénaline et ses effets2) Airtime

I Manèges : les lois physiques et les forces

1) Inertie et principe des actions réciproques, gravitation universelle :

• L'inertie d'un corps fait que ce dernier conserve une vitesse constante lorsqu'aucune force externe ne s'y applique, ou que les forces s'y appliquant se compensent.C'est Isaac Newton qui fit cette découverte que l'on trouve dans sa première loi : « Tout corps, en mouvement rectiligne uniforme ou au repos, soumis à des forces qui se compensent, persévère dans son état. »

Exemple : Une auto tamponneuse A en mouvement continue son mouvement si aucune force ne s'y oppose.En revanche, si l'auto A rencontre une autre auto B identique à l'arrêt avec un passager de même poids de l'auto A, cette dernière sera propulsée à la même vitesse que l'auto A, qui, elle-même restera sur place.Explication : Lorsque A percute B à l'arrêt, A exerce une action, la force d'inertie, sur B. Qui dit action, dit réaction : B réagit. La quantité d'énergie de l'auto A est transmise dans l'auto B.Cette découverte est due à Isaac newton. C'est sa 3e loi : « Tout corps A exerçant une force sur un corps B subit une force d'intensité égale, de même direction, mais de sens opposé, exercée par le corps B. »Cette loi s'appelle le principe des actions réciproques.

Inertie : Actions réciproques :

• La gravitation est un phénomène d'interaction causant une attraction réciproque des corps massifs entre eux.

Exemple :Un objet A posé sur le sol est soumis à son poids et à la réaction du sol.

2) Energie cinétique, potentielle & mécanique

L'énergie cinétique d'un solide est l'énergie qu'il possède, due à son mouvement.Un wagon de montagne russe atteint son maximum d'énergie cinétique au bas son parcours. L'énergie cinétique d'un corps en mouvement est proportionnelle à sa masse.Pour un solide en translation, cela donne :

Ec : Energie cinétique (J)M : Masse (kg)Vg : Vitesse du centre d’inertie (m/s)

Exemple :Un wagon de montagne russe de masse m = 500 kg à vide dont la vitesse est 44m/s. Son énergie cinétique est : 0.5 x 500 x 44²= 484000 JoulesSchéma

• Lorsque le wagon commence à monter, l'énergie cinétique commence à être transformée en énergie potentielle.L’énergie potentielle d'un solide est l'énergie liée à l'altitude du solide.Si l'altitude est nulle, l'énergie potentielle est nulle.L'énergie potentielle d'un solide est donnée par la relation :

Ep : Energie potentielle en (J)M : Masse (kg)G : Intensité de la pesanteur terrestre (N /kg)Zg : Altitude du solide (m)P : Poids du solide (N)

Exemple :Un wagon de montagne russe de masse m = 500 kg à vide à une hauteur de 75 mètres. Son énergie potentielle est :500 x 9.8 x 75 = 367500 Joules.

• L'énergie mécanique à un instant t est la somme de l'énergie cinétique et de l'énergie potentielle au même instant t. Cela donne :

Em : Energie mécanique (J)Ec : Energie cinétique (J)Ep : Energie potentielle (J)

Exemple :Un wagon de montagne russe de masse 500 kg à vide, de hauteur 43 mètres et de vitesse 22m/s :Ec = 0.5 x 500 x 22² = 121000 JEp = 500 x 9.8 x 43 = 210700 JEm = Ec + Ep = 121000 + 210700 = 331700 J

3) Force centrifuge et centripète :

a) La force centripète :

La force centripète est exercée dans les manèges de type circulaire comme dans les balançoires tournant sur une trajectoire circulaire. Dans cet exemple elle représente la force qu'exerce le siège sur le centre du manège par un câble allant de l’axe de rotation du manège jusqu’au siège. Cette force est calculée avec cette formule :

● M : masse (kg)● V : vitesse (m/s)● R : rayon (m)

Voilà la représentation graphique de notre manège balançant un siège sur une trajectoire circulaire :

Exemple :

Prenons une nacelle de 180 kg, un rayon de 12 mètres et une vitesse de 18 m/s, cela donne :

F = 180 x (18² / 12) = 4860 J

b) La force centrifuge :

La force centrifuge se traduit par une tendance à éloigner les corps du centre de rotation.Elle est la force opposée à la force centripète, donc dans notre exemple de manège à balançoire, la force centrifuge est donc la force qu’exerce

Voici le calcul de cette force :

M : masse (kg)A : accélérationω : vitesse angulaire (rad/s)R : rayon (m)

Exemple :Prenons une nacelle de 180 kg, une vitesse angulaire de 3 rad/s et un rayon de 12 mètres :

F = 180 x 3² x 12 = 19440 J.

II Manèges : les sensations qu'il procure, l'adrénaline.

1) Adrénaline

L’adrénaline est une substance sécrétée pour faire face à un danger, il est comme un message d’urgence dans l’organisme pour lui dire de se préparer à combattre un danger. Mais l’adrénaline est aussi une sensation, c’est cette sensation de panique et/ou de joie chez les personnes lorsqu’ils prennent un manèges à très grandes sensations et à très grande vitesse comme les montagnes russes.

La panique est une terreur soudaine qui domine le raisonnement et est déclenchée par la perception d’un danger. Le cerveau détecte une source de stress (une chute vertigineuse par exemple). Il envoie alors un signal à l'hypothalamus (le centre des émotions), situé à la base du cerveau. L'hypothalamus envoie un message nerveux aux glandes médullosurrénales (situées au-dessus des reins) dont les cellules chromaffines sécrètent aussitôt des molécules d'adrénaline (hormone de la catégorie des catécholamines). La synthèse de l’adrénaline s’effectue à partir de la noradrénaline, grâce à une enzyme, la phényléthanolamine N-méthyltransférase. L’adrénaline produit son effet en se fixant sur les récepteurs adrénergiques des cellules cibles. La présence d'adrénaline dans le sang déclenche instantanément des réactions dans tout le corps :

● Les bronches se dilatent pour améliorer la respiration.● Le rythme cardiaque augmente.● La pression artérielle augmente.● Le cerveau et les muscles reçoivent plus d'oxygène.● La digestion se ralentit car la majeure partie du sang est envoyée au cerveau

et aux muscles.● Décomposition des graisses pour fournir plus d’énergie.● Les pupilles se dilatent afin d'augmenter la vigilance.

De ce fait, on transpire afin de refroidir l'organisme en prévision d'un effort ou d'un danger.

L'adrénaline permet de mobiliser tout notre organisme contre un éventuel danger. Pour certains, les réactions dues à l'adrénaline sont désagréables, et pour d'autres, elle sont perçues comme un réel plaisir. C'est pourquoi certaines personnes supportent moins bien les manèges à sensations fortes que d'autres. Ces sensations sont dues aux accélérations horizontales, mais surtout verticales (celle-ci étant relativement inhabituelles) et encore, d'avantage de « tomber le vide » et perte d'équilibre vers le bas ce qui constitue un airtime.

2) Airtime

Un airtime est une sensation courante dans les manèges. Il se produit sur les manèges effectuant une montée rapide suivie d’une redescente (dans des montagnes russes par exemple). C'est lorsque que nous sommes au point culminant de la bosse que ces sensations se produisent.L'airtime est une sensation d'apesanteur (l'ensemble des forces gravitationnelle et inertielles sont nulles durant ce moment) de tomber dans le vide, ou de perte d'équilibre ressentie sur des attractions.Ils sont causés par l'inertie du train et des passagers. Dans l'exemple des montagnes russes, lorsque le wagon passe sur une bosse et redescend à vitesse élevée, l'inertie du passager l'entraîne et le fait parfois même décoller légèrement de son siège. Même sensation retrouvée dans une simple balançoire lorsque la balançoire se met à repartir en arrière alors que l’inertie de la personne l'entraîne toujours dans le sens contraire de la balançoire, on retrouve ce petit décollage du siège.

Conclusion :

Les manèges à sensations fortes produisent divers effets sur notre corps.Ils y exercent tout d’abord des forces : la force d’inertie qui permet à un corps de conserver son mouvement si rien ne si oppose ; l’énergie cinétique, possédée par un wagon lors des périodes de chutes ; l’énergie potentielle, possédée par un wagon lors des périodes de montée ; les énergie centripète et centrifuge lors des manèges à virages, et les manèges circulaires. Nous avons vu comment chacune des ces forces et energies surviennent et comment les calculer. Dans une seconde partie nous avons vu aussi les effets de l’adrénaline, qui petu se traduire par une peur ou par une sensation de joie intense en fonction des personnes. Enfin, nous avons vu ce que l’on apelle l’airtime, un effet et une sensayion survenant à cause de l’inertie.On peut donc dire que les manèges sont des engins complexes, capables de produire sur le coprs humains des sensations, elles-mêmes dues à de multiples forces et énergies physiques.

Sources :

WikipédiaC’est Pas SorcierFrance 5Porcella.orgStephbill.free.frBonjour-docteur.comFrance5.fr