Il est impossible de ne jamais avoir entendu parler de Sir Isaac Newton dans une vie, car son apport aux sciences est légendaire : de la découverte que la lumière blanche est composée de toutes les couleurs de l’arc-en-ciel, aux bases de la théorie de la physique classique (ainsi appelé physique newtonienne) et surtout, la loi universelle de la gravitation. Mais ce sont les trois lois universelles du mouvement de Newton qui permettent d’expliquer le fonctionnement du pendule.
Le savais-tu?
Le boulier de Newton reçut son nom officiel qu’en 1967 alors qu’on le commercialisa comme jouet de bureau. L’on choisit le nom afin de rendre hommage à une légende de la physique, mais il a été inventé au 17e siècle par un physicien français (Edme Mariotte), avant même que Newton publie ses découvertes.
Expérience 1: découverte
Pour débuter, installe ton pendule de Newton sur une surface stable.
1. Fais ta prédiction : Qu’arrivera-t-il si tu prends une boule du bout et la relâches ?
2. Attends que toutes les boules soient bien au repos, puis tire une des boules à l’extrémité et laisse-la retomber afin qu’elle aille frapper sa voisine. Qu’arrive-t-il? Est-ce que ta prédiction était bonne ?
Ce qui se passe :
Tout est une question de transferts d’énergie…
Tout d’abord, quand tu prends la boule et la soulèves, tu prends ta force musculaire et la transmet à la boule sous forme d’énergie potentielle gravitationnelle, c’est-à dire que la boule a le potentiel de tomber grâce à la force gravitationnelle.
Lorsque tu lâches la boule, cette énergie potentielle est transformée en énergie cinétique (mouvement) vers le bas (direction de la force gravitationnelle), mais puisque la boule est suspendue par un fil, elle ira frapper sa voisine. Pendant cette collision, elle transfère sa quantité de mouvement à sa voisine. Cette 2ᵉ boule retransmet aussitôt à la prochaine de façon si rapide qu’elle semble ne pas bouger. Ce transfert de force se fait jusqu’à la dernière boule qui, elle, n’a pas de voisine et s’élancera vers le haut.
La quantité de mouvement est une mesure de la force dans un objet, elle dépend de la vitesse et la masse (poids) de l’objet. Plus un objet est lourd, plus grande est sa quantité de mouvement. Plus grande est la vitesse d’un objet, plus grande sera sa quantité de mouvement. Tout parait bien logique jusqu’ici !
Le pendule de Newton est une démonstration de la conservation de l’énergie et de la quantité de mouvement, vérifions ceci…
Expérience 2. Efficacité – Conservation de la quantité de mouvement
Tu auras besoin d’une règle ou d’un ruban à mesurer.
Pour cette expérience, nous allons comparer la distance parcourue par la balle que tu relâches et celle parcourue par la dernière boule du boulier.
Étapes
- Tu dois d’abord mesurer la distance (horizontale) entre la première boule au repos et la position à laquelle tu la relâches. On recommande de placer un objet (comme un dictionnaire) afin de marquer le point de départ pour toutes tes expériences.
- Ensuite, mesure la même distance de l’autre côté et installes-y un autre objet stable.
- Puis, prépare-toi à mesurer (à l’œil, approximativement ou avec la règle) la distance entre l’objet et la dernière boule.
- Relâches la boule. A-t-elle parcouru la même distance ?
Bonus : pour mesurer l’efficacité du pendule, tu n’as qu’effectuer une petite division de la distance parcourue par la dernière balle par celle de la première boule, puis multiplie cette réponse par cent pour obtenir un pourcentage.
Le pendule de Newton est une démonstration de la conservation de l’énergie et conservation de la quantité de mouvement. Dans un système parfait, la dernière boule parcourrait la même distance que la première. Toutefois, dans la vraie vie, il y a un peu de friction entre les ficelles qui suspendent la boule et la friction avec l’air (résistance de l’air), c’est ce qui fait que ton pendule n’a pas une efficacité de 100 %.
Détails de conception
- Pourquoi le support soutient les boules grâce à deux piliers et deux ficelles ? Il est important que les boules soient suspendues de chaque côté afin de s’assurer qu’elles se déplacent en ligne droite, ceci assure le meilleur résultat possible de la quantité de mouvement.
- Les boules : pour le même souci de précision, les boules sont de volume et masse identiques. Pourquoi cinq boules ? En fait, nous pensons que c’est tout simplement parce que c’est le minimum de boules pour faire les expériences avec le pendule et donc la majorité des pendules vendus ont cinq boules. Toutefois, le pendule fonctionne peu importe le nombre de boules. Funique en vend même un à 7 boules !
Expérience 3. Expérimentation !
Maintenant essaie de prédire, puis teste tes prédictions dans ces différents cas :
- Relâche deux boules en même temps ;
- Relâche 3 boules en même temps ;
- puis 4;
- relâche une boule de chaque côté en même temps;
- relâche une boule d’un côté et deux de l’autre…
Un peu de théorie rapido-presto
Les lois de conservation de l’énergie et de la quantité de mouvement ont été établies par des scientifiques suite au travail de Newton sur ses trois lois fondamentales du mouvement que voici…
1ʳᵉ loi de Newton
Principe d’inertie : selon ce principe, un objet en mouvement, va rester en mouvement tant qu’une nouvelle force n’est pas appliquée et de la même logique, un corps immobile ne bougera pas sans une nouvelle force.
Pour comprendre ce principe avec une expérience que tu as possiblement déjà vécue… souviens-toi d’une fois où tu étais dans un véhicule en mouvement et que le conducteur a dû freiner abruptement. Lorsque le véhicule est mis à l’arrêt, les corps à l’intérieur (qui ne subissent pas la même force des freins) seront alors projetés vers l’avant du véhicule, direction vers laquelle les corps allaient avant que les freins soient appliqués.
La loi en gif:
2e loi de Newton
Le principe fondamental de la dynamique: quand une force est appliqué à un objet, la grandeur de cette force ET sa direction vont influencer le mouvement de l’objet. Ce principe est fondamental dans tous les sports de balle: il faut bien contrôler sa force et la direction de ses mouvements, que ce soit dans une partie de billard ou au baseball, afin que la balle (boule) aille où l’on veut!
3e loi de Newton
Le principe des actions réciproques (ou loi de l’action-réaction) stipule qu’à chaque force appliquée sur un objet, l’objet réagira avec une force de même grandeur, mais de direction opposée.
Par exemple, si on lance une balle au sol avec une certaine force (vers le bas), le sol repoussera la balle avec approximativement la même force vers le haut, et donc elle rebondit (on doit toutefois en déduire l’effet de la gravité qui elle est une force vers le bas).
Un deuxième exemple : pense à la nage. Pour avancer, on doit repousser l’eau vers l’arrière.
Bon, possiblement que tu te dis à ce moment que ça ne prend pas nécessairement un génie pour déduire ces trois règles, ceci, mais la partie essentielle que nous avons omise pour aujourd’hui sont les merveilleuses mathématiques derrière le tout. Afin qu’une loi soit acceptée comme loi, les formules doivent pouvoir créer des prédictions précises et que n’importe qui peut reproduire n’importe où ! Et c’est Newton qui a réussi à établir les bonnes formules mathématiques, alors que d’autres avaient compris le phénomène avant lui, mais n’ont pas résous les mathématiques !
