Annale corrigée Exercice

La physique et la chimie au service du football

Antilles, Guyane • Juin 2019

La physique et la chimie au service du football

30 min

25 points

Intérêt du sujet • Le sport exige de plus en plus de technicité dans les matériaux utilisés par les sportifs. La science permet de répondre à cette nouvelle exigence.

 

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Ph© Franck Fife / Afp

En 2019, la France organise la coupe du monde de football féminin. À cette occasion, les fabricants de matériel sportif mettent en avant des chaussures de football à la fois légères et performantes dédiées spécifiquement aux femmes. Ces innovations sont permises par la recherche en science des matériaux et répondent aux exigences toujours plus grandes des sportifs.

document 1Les chaussures de football en PEBA

Bon nombre de joueuses professionnelles utilisent des chaussures de football en PEBA ou polyéther block amide. Ce matériau peu dense permet d'obtenir des chaussures qui sont 20 % plus légères. Qu'il fasse chaud ou froid, sur terrain enneigé ou sec, le PEBA reste stable. De plus, la semelle peut se plier un million de fois sans se dégrader grâce à l'élasticité exceptionnelle du PEBA, c'est-à-dire à sa capacité à emmagasiner et à restituer l'énergie comme le ferait un ressort. Cela procure une sensation de dynamisme et d'adhérence au terrain, ainsi qu'un toucher de balle exceptionnel.

D'après www.pebaxpowered.com

document 2De l'huile de ricin au PEBA

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Plant de ricin

L'huile de ricin, issue de graines de ricin, est constituée essentiellement de longues molécules d'acide ricinoléique de formule C18H34O3.

Une transformation chimique de l'acide ricinoléique permet d'obtenir une espèce chimique appelée rilsan. Un objet fabriqué en rilsan est caractérisé par sa rigidité.

Une entreprise chimique française, Arkema, a mis au point le PEBA en faisant réagir le rilsan avec une autre espèce chimique, appelée polyéther, qui apporte plus de souplesse et d'élasticité.

1. a) À partir du document 1, citer trois qualités du matériau nommé PEBA. (3 points)

b) Quel est le nom des éléments chimiques contenus dans la molécule d'acide ricinoléique de formule C18H34O3. Il est demandé de répondre par une phrase et non par une simple liste de mots. (3 points)

On désire représenter les transformations chimiques successives permettant d'obtenir le PEBA à l'aide du diagramme suivant :

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c) À partir du document 2, donner le nom des espèces chimiques associées aux repères A, B et C de ce diagramme. (3 points)

2. Le ballon de football fait aussi l'objet de recherche pour améliorer ses caractéristiques et son comportement au cours du jeu : rebonds, résistance aux chocs, etc. On souhaite modéliser les actions que le ballon subit lorsqu'il est soumis à un coup de pied. Pour cela, on identifie l'ensemble des actions mécaniques modélisées par des forces qui s'exercent sur le ballon posé au sol au moment du coup de pied donné par une footballeuse.

document 3Schématisation des actions mécaniques exercées sur le ballon

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Les segments fléchés , et identifiés ci-dessus modélisent les trois actions mécaniques qui s'exercent sur le ballon lors du coup de pied.

a) Pour chacun des segments fléchés , et du document 3, choisir, parmi les propositions suivantes, le nom de l'action mécanique qui lui correspond : (2,5 points)

action du sol sur le ballon ;

action de pesanteur sur le ballon ;

action du pied sur le ballon ;

action du ballon sur le pied ;

action du ballon sur le sol.

b) Parmi ces cinq actions, identifier une action à distance et une action de contact. (2,5 points)

3. Une montre GPS enregistre la position et la vitesse d'une footballeuse lors d'un footing d'entraînement. Un logiciel d'analyse de performance sportive permet d'afficher la courbe du document 4, montrant l'évolution de la vitesse de la footballeuse au cours de cet entraînement.

document 4Évolution de la vitesse au cours de la séance d'entraînement

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a) À quel instant la vitesse maximale a-t-elle été atteinte par la footballeuse lors de cette séance ? (2 points)

b) Quelle est la vitesse de la footballeuse à la 26e minute ? S'est-elle arrêtée à cet instant ? (2 points)

c) Choisir, parmi les propositions suivantes, celle(s) qui caractérise(nt) le mouvement de la footballeuse durant cette séance : (2 points)

la vitesse est constante et égale à 13,6 km/h ;

la vitesse est comprise entre 11,0 et 13,6 km/h ;

le mouvement est uniforme.

4. Une rencontre de la coupe du monde commence : l'arbitre siffle le début de la partie au milieu du terrain. Le son se propage à la vitesse de 340 m/s. Une gardienne de but, située près de ses cages, est à une distance de 48 m de l'arbitre : elle entend donc le son émis par le sifflet avec un léger retard.

Ce retard peut-il avoir une influence sur le bon déroulement du jeu ? Donner un avis argumenté en développant un raisonnement qui utilise la relation entre vitesse, distance parcourue et durée du parcours. La durée calculée sera arrondie au centième de seconde.

Toute démarche, même partielle, sera prise en compte. (5 points)

 

Les clés du sujet

Comprendre les documents

Tableau de 4 lignes, 2 colonnes ;Corps du tableau de 4 lignes ;Ligne 1 : Document 1 •Les chaussures de football en PEBA; C'est un texte sur un nouveau matériau, le PEBA, présentant ses qualités et ses performances.Souligne dans le texte ces qualités.; Ligne 2 : Document 2 •De l'huile de ricin au PEBA; Ce document explique le procédé chimique de la fabrication du PEBA.Relève dans le texte les transformations chimiques nécessaires à cette fabrication, ainsi que les noms des espèces chimiques qui y apparaissent.; Ligne 3 : Document 3 • Actions mécaniques sur un ballon; C'est un schéma des actions subies par un ballon placé sur le sol et auquel on donne un coup de pied.Note bien les points de contact entre les différents éléments du schéma et d'où partent les flèches.; Ligne 4 : Document 4 •Évolution de la vitesse au cours d'un entraînement; Ce graphique montre l'évolution de la vitesse d'une footballeuse lors de son entraînement, au cours du temps.Sa lecture te permet de répondre à la question 3.;

Répondre aux questions

1. a) Sois vigilant(e) : on te demande de citer les qualités du matériau et non pas les sensations qu'il procure.

2. a) Ce sont des actions appliquées « sur le ballon », ce détail t'aidera­ à choisir les bonnes réponses.

4. Suis les étapes du schéma pour répondre à cette question.

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1. a) Le PEBA est un matériau peu dense, stable et d'une grande élasticité.

b) La molécule d'acide ricinoléique contient les éléments carbone, hydrogène et oxygène.

c) Dans ce diagramme, A représente l'huile de ricin, B le rilsan et C le polyéther.

2. a) Sur ce schéma, le segment fléché représente l'action du sol sur le ballon, le segment fléché représente l'action du pied sur le ballon et le segment fléché représente l'action de pesanteur sur le ballon.

b) L'action de la pesanteur sur le ballon est une action à distance que ce dernier subit même lorsqu'il n'est pas posé sur le sol. L'action du pied sur le ballon est une action de contact.

3. a) La vitesse maximale de 13,6 km/h est atteinte à la 17e minute par la footballeuse.

remarque

Le zéro de l'axe des ordonnées est décalé, tiens-en compte pour ta lecture.

b) D'après la courbe, la vitesse de la footballeuse à la 26e minute est de V = 11 km/h. Cette valeur est supérieure à zéro, elle n'est donc pas à l'arrêt.

c) La vitesse de la footballeuse varie au cours du temps, elle n'est donc pas constante, et le mouvement n'est pas uniforme. On peut donc dire que sa vitesse est comprise entre 11,0 et 13,6 km/h.

conseil

Calcule le temps que met le son pour parvenir à la gardienne du but.

4. La gardienne de but entendra le son du sifflet, à une distance de d = 48 m, au bout d'un temps t.

Calcul de t à l'aide de la vitesse du son v = 340 m/s :

 v=dt

 t=dv= 48340=0,14 s.

La gardienne du but entendra donc le son du sifflet 14 centièmes de seconde après son émission. C'est un temps trop court pour pouvoir parler d'un décalage qui puisse avoir une influence sur le déroulement du jeu. L'oreille humaine ne remarquera pas ce retard de réception du son. Le jeu ne sera donc pas perturbé.

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