Force et accélération

La Deuxième loi de Newton décrit la relation entre la force et l’accélération et cette relation est l’un des concepts les plus fondamentaux qui s’appliquent à de nombreux domaines de la physique et de l’ingénierie.

F égale ma est l’expression mathématique de la deuxième loi de Newton. Cela montre qu’une plus grande force est nécessaire pour déplacer un objet d’une plus grande masse. On montre également que pour une force donnée l’accélération est inversement proportionnelle à la masse. Autrement dit, avec la même force appliquée, des masses plus petites accélèrent plus que des masses plus grandes

Ici, nous allons vous montrer une expérience qui valide la deuxième loi de Newton, appliquant des forces de magnitude différente sur un planeur sur une piste d’air presque sans frottement

Avant d’entrer dans les détails de la façon de mener l’expérience, nous étudierons les concepts et les lois qui contribuent à l’analyse et à l’interprétation des données.

L’installation se compose d’une piste d’air, d’un planeur, d’une minuterie de porte photo à une distance connue d du point de départ, d’une poulie et d’une chaîne de manoeuvre de voile sur la poulie.

Si on attache un poids à l’autre extrémité de la corde et qu’on le lance, le poids appliquera une force sur la voile, ce qui la fera accélérer. Cette force est donnée par la deuxième loi de Newton. En même temps, ce sera la force du poids due à l’accélération de la gravité moins la force de tension dans la chaîne de liaison le poids tombe sur la voile. Cette force de tension est la masse du poids multipliée par l’accélération de la voile.

En assimilant la force sur la voile à la force du poids, on peut déduire la formule pour calculer théoriquement l’accélération de la voile.

La façon expérimentale de calculer l’accélération de la bougie est à l’aide de la minuterie photoporte. Cela nous donne le temps nécessaire au planeur pour parcourir la distance d du point de départ. Avec ces informations, vous pouvez calculer la vitesse de la voile, puis, à l’aide de cette formule cinématique, vous pouvez calculer l’amplitude de l’accélération expérimentale.

Maintenant que nous comprenons les principes, voyons comment réaliser réellement cette expérience dans un laboratoire de physique

Comme mentionné précédemment, cette expérience utilise un planeur relié par une ligne passant au-dessus d’une poulie à un poids. Suivez les curseurs de voile le long d’un air, ce qui crée un coussin d’air pour réduire les frottements à des niveaux négligeables.

Lorsque le poids baisse, la poulie redirige la tension sur la ligne pour tirer la voile, qui a un drapeau de 10 cm de long en haut. Une porte photo à une distance connue du point de départ enregistre le temps nécessaire au passage du drapeau

La vitesse finale de la voile est la longueur du drapeau divisée par le temps qu’il passe à travers la porte photo. Avec la vitesse finale de la voile et la distance parcourue, il est possible de calculer l’accélération.

Mettre en place l’expérience en plaçant la minuterie photoporte à la marque de 100 cm sur la piste d’air et le planeur à la marque de 190 cm. Le curseur a une masse de 200 grammes. Tenez la voile pour qu’elle ne bouge pas et ajoutez des poids à l’extrémité de la chaîne pour accrocher la masse totale est également de 10 grammes

Une fois les poids en place, relâchez le planeur enregistrez sa vitesse pendant cinq courses et calculez la moyenne. Utilisez la masse de la bougie et le poids de la suspension pour calculer les accélérations expérimentales et théoriques et enregistrer les résultats.

Ajoutez maintenant quatre poids supplémentaires à la bougie, doublant sa masse à 400 grammes. Placez le planeur à la marque de 190 cm pour répéter l’expérience. Relâchez le planeur et enregistrez votre vitesse pendant cinq courses. Encore une fois, calculez et enregistrez la vitesse moyenne et les accélérations expérimentales et théoriques.

Pour la dernière série de tests, retirez les poids de la bougie afin qu’elle ait sa masse d’origine de 200 grammes. Ajoutez ensuite des poids à la pâte suspendue jusqu’à ce que vous ayez une nouvelle pâte de 20 grammes. Répétez l’expérience pendant cinq autres courses.

Enfin, ajoutez plus de poids à la masse suspendue jusqu’à 50 grammes et répétez cette expérience pendant cinq autres courses.

Rappelons que l’accélération théorique de la voile est égale à l’accélération due à la pesanteur g multipliée par le quotient de masse du poids descendant et de la masse du poids et du planeur ensemble. Comme le montrent les valeurs théoriques de ce tableau, l’accélération diminue à mesure que la masse du planeur augmente.

Inversement, l’accélération augmente à mesure que la masse de la chute augmente en poids, en raison d’un cas de force majeure. On notera que les accélérations prédites par cette équation peuvent avoir une valeur maximale de g, soit 9,8 mètres par seconde au carré.

Ensuite, voyons comment calculer l’accélération expérimentale. Par exemple, le premier test utilise un planeur de 200 grammes et un poids de 10 grammes. La vitesse moyenne après avoir parcouru 100 centimètres était de 0,93 mètre par seconde. En utilisant l’équation cinématique discutée ci-dessus, l’accélération expérimentale atteint 0,43 mètre par seconde au carré. Ce même calcul appliqué aux autres essais produit les résultats présentés dans ce tableau.

Les différences entre les accélérations expérimentales et théoriques peuvent avoir plusieurs causes, notamment des limitations sur la précision de la mesure, des frottements très faibles mais non tout à fait insignifiants dans la piste d’air et la poche d’air sous la voile, qui peuvent s’ajouter ou se soustraire à la force de tension le long de la chaîne.

Les forces sont présentes dans presque tous les phénomènes de l’univers. Ramenées sur terre, les forces affectent tous les aspects de la vie quotidienne.

La tête peut causer des traumatismes et altérer les fonctions cognitives. Une étude des commotions cérébrales liées au sport utilise des casques de hockey spéciaux équipés d’accéléromètres à trois axes pour mesurer l’accélération lors de l’impact.

Les données ont été envoyées par télémétrie à des ordinateurs portables, qui ont enregistré les mesures pour une analyse plus approfondie. Connaissant les accélérations et la masse de la tête, il était possible d’utiliser la deuxième loi de Newton, F = ma, pour calculer l’impact des forces sur le cerveau.

Les ingénieurs civils de la construction de passerelles s’intéressent à l’étude de l’effet de la force induite par la charge du pied sur ces structures. Dans cette étude, les chercheurs ont placé des capteurs sur une passerelle qui mesure les vibrations induites par les piétons. La réponse structurelle est mesurée en termes d’accélération verticale, qui est un paramètre important dans l’étude de la stabilité de ces structures

N’a vu que l’accélération et l’introduction de Zeus à la force. Maintenant, vous devez comprendre les principes et le protocole derrière l’expérience de laboratoire qui valide la deuxième loi du mouvement de Newton. Comme toujours, merci d’avoir regardé!

Laisser un commentaire

Votre adresse e-mail ne sera pas publiée.