Comment utiliser le berceau de Newton?

Cela ressemble beaucoup à la façon dont la gravité convertit l'énergie cinétique des balles dans le berceau en énergie potentielle, et à la façon dont les balles transmettent l'énergie cinétique et la quantité de mouvement lors de collisions hautement élastiques.

Le berceau de Newton est un appareil qui sert également d'ornement de bureau et d'outil pour expliquer les fondements de base de la physique. Il est construit en montant une série de balles sur des cordes sur une barre commune. Habituellement, 5 balles sont présentes, et lorsque l'une est autorisée à frapper les autres, l'énergie est transférée d'un bout à l'autre. Que vous soyez un enseignant, un étudiant ou simplement une personne curieuse, vous pourriez en apprendre beaucoup sur les concepts physiques simplement en jouant avec un berceau de Newton.

Partie 1 sur 3: utiliser le berceau de Newton

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Commencez par retirer 1 boule. Plus vous tirez la balle loin, plus vous lui donnerez d'énergie potentielle. Cette énergie potentielle est créée parce que vous avez déplacé la balle vers un point plus élevé, et maintenant elle a le potentiel de tomber lorsqu'elle est relâchée.
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Relâchez la balle. Cela permettra à la balle de tomber, convertissant son énergie potentielle en énergie cinétique. L'autre chose importante qui se passe, c'est que la balle prend de l'élan. Cet élan, ainsi que l'énergie, ne peuvent pas disparaître simplement lorsque la balle atteint le fond. Il doit être conservé.
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Observez le transfert d'énergie et d'élan de la première balle à la dernière balle. En fin de compte, c'est la partie divertissante du berceau de Newton. Lorsque la première balle atteint le fond et frappe la deuxième balle, elle s'arrête. L'élan et l'énergie cinétique que la balle a gagnés lors de sa chute sont transférés à travers les balles du milieu et transmis à la dernière balle, qui s'éloigne des autres balles.
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Observez le cycle que vous avez créé. L'élan et l'énergie continueront d'être transmis de la balle d'un côté du berceau à une balle de l'autre extrémité. Progressivement, l'énergie et l'élan se dissiperont. Cela sera évident par le fait que la hauteur maximale des balles est un peu plus basse à chaque fois que la fois précédente.
- Une fois que la dernière balle se soulève et s'éloigne des autres, la gravité ne lui permettra pas de simplement rester là. Il atteindra un point culminant presque aussi haut que la hauteur de départ de la première balle.
- À ce stade, la balle aura converti toute son énergie cinétique en énergie potentielle. La chute vers le bas reconvertit l'énergie potentielle en énergie cinétique et en élan, puis les transfère à travers les boules du milieu dans la première.
- Maintenant, la première balle remonte et le cycle continue longtemps.
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Ajustez l'expérience en retirant 2 balles. La quantité de mouvement est égale à la masse qui se déplace multipliée par la vitesse (pas la vitesse) à laquelle elle se déplace. Comme cet élan doit être conservé, les 2 boules à la fin seront repoussées de la boule centrale au lieu d'une seule. A part 2 boules à chaque extrémité en mouvement, le cycle se poursuivra comme si vous aviez retiré 1 boule.
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Amusez-vous à expérimenter. Essayez de faire 3 ou 4 balles et voyez ce qui se passe. Vous pouvez également tirer plus ou moins la ou les balles pour ajuster la quantité d'énergie avec laquelle elles commencent. Si vous le laissez faire, cela peut vous divertir pendant un bon moment.
- Astuce: Le nombre de balles que vous retirez sera le même que celui qui se balance à l'autre extrémité.

Partie 2 sur 3: comprendre (ou enseigner) comment fonctionne le berceau du newton

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Notez comment l'énergie potentielle et cinétique diffèrent. L'énergie potentielle est stockée et résulte de la position d'un objet ou d'un arrangement des parties de l'objet. L'énergie potentielle peut être convertie en énergie cinétique. L'énergie cinétique provient du mouvement d'un objet.
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Montrer que l'énergie doit être conservée à l'aide du berceau. L'incapacité de créer ou de détruire de l'énergie est un thème central de la thermodynamique. Cela signifie que l'énergie que vous introduisez dans le système (en soulevant la première balle) doit être conservée dans le système. Cela signifie que l'énergie doit continuer à se déplacer dans le système même après que la première balle a atteint le fond et s'est arrêtée.
- Vous pouvez voir cela se produire lorsque la dernière balle atteint presque la même hauteur que la première.
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Observez que la quantité de mouvement est également conservée dans le berceau. Non seulement l'énergie du système est conservée, mais la quantité de mouvement est également conservée. C'est pourquoi le même nombre de balles s'élancent de chaque côté à la même vitesse. L'élan n'est rien de plus qu'une masse multipliée par la vitesse à laquelle il se déplace.
- Dans le cas du berceau, la quantité de mouvement peut être trouvée en multipliant la vitesse à laquelle la balle tombe de son point le plus haut par la masse de la balle.
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Réfléchissez à la raison pour laquelle la dernière balle ne continue pas sa trajectoire ascendante. Il semblerait, puisque l'élan est conservé, qu'une fois la dernière balle lancée loin des autres, elle continuerait à monter et à s'éloigner. Théoriquement, cela se produirait sans la gravité. La gravité agit sur la balle lorsqu'elle se déplace vers le haut, la ralentissant. Lorsque cela se produit, l'énergie cinétique est reconvertie en énergie potentielle et la quantité de mouvement est réduite.
- Une fois que la balle atteint sa hauteur maximale, la gravité inverse les rôles et convertit l'énergie potentielle en énergie cinétique et en quantité de mouvement, mais dans la direction descendante au lieu de la direction ascendante.
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Sachez que le berceau s'arrêtera. Dans un système idéal, l'énergie et l'élan seraient transmis d'un côté à l'autre du berceau dans un jeu de tag sans fin. Cependant, le monde réel n'est pas ce que la physique considère comme un système «idéal». Le frottement est une force qui ralentit le mouvement des billes.
- Dans ce cas, la force de friction entravante provient d'une combinaison de facteurs. Il y a une petite résistance de l'air lorsque les balles se déplacent de haut en bas. Il y aura également une perte d'énergie en chaleur lorsque les billes entreront en collision les unes avec les autres. Même le son que vous entendez est une vibration qui sape lentement l'énergie du berceau.

Convertissant son énergie potentielle en énergie cinétique — Cela permettra à la balle de tomber, convertissant son énergie potentielle en énergie cinétique.

Partie 3 sur 3: utiliser les principes du berceau de Newton ailleurs

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Faites rebondir une balle rebondissante. Les balles rebondissantes sont constituées de matériaux hautement élastiques, ce qui signifie que lorsqu'elles entrent en collision avec une surface, elles ne perdent pas beaucoup d'énergie. Au lieu de cela, la collision déforme la balle (en la faisant comprimer et en changeant l'énergie cinétique en énergie potentielle), puis la balle reprend sa forme (ou rebondit). L'acte de rebondir en forme reconvertit la nouvelle énergie potentielle en énergie cinétique, sauf que maintenant l'élan est dans la direction opposée.
- Cela ressemble beaucoup à la façon dont la gravité convertit l'énergie cinétique des balles dans le berceau en énergie potentielle, et à la façon dont les balles transmettent l'énergie cinétique et la quantité de mouvement lors de collisions hautement élastiques. Lorsque la balle monte, la gravité agit sur elle exactement de la même manière que les balles dans le berceau de Newton.
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Faites une partie de billard. Les boules de billard, comme les boules du Newton's Cradle, sont dures et se touchent de manière très élastique. L'énergie est mise dans le système en frappant la bille blanche avec la queue. Cette balle se déplace jusqu'à ce qu'elle frappe une autre balle et s'arrête. L'élan de la bille blanche est conservé en le faisant passer à la bille cible, et à son tour en déplaçant la bille cible le long de la table.
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Utilisez un bâton de pogo. C'est une façon très interactive d'avoir une idée de ces principes. Le pogo stick fonctionne plus ou moins de la même manière qu'une balle rebondissante. La plus grande différence est que vous êtes sur le bâton, vous pouvez donc littéralement sentir certaines de ces forces à l'œuvre!

La chute vers le bas reconvertit l'énergie potentielle en énergie cinétique et en élan, puis les transfère à travers les boules du milieu dans la première.

Conseils

Assurez-vous de bien tenir la ficelle lorsque vous tirez sur les balles. Si vous avez du mou dans la chaîne, cela peut affecter les résultats.
N'utilisez pas le Newton's Cradle dans un bureau bondé. Certaines personnes trouveront cela très relaxant; d'autres trouveront cela très irritant.
Si vous utilisez des balles de masse variable dans le berceau de Newton, les principes restent vrais, mais les résultats sont différents.
C'est un excellent outil pour un cours de sciences.

Mises en garde

Si vous choisissez d'utiliser un bâton de pogo, portez un casque et des genouillères et des coudières.

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