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Objet scientifique : Zoom sur le pendule de Newton et son principe mécanique

Crédits : rawpixel.com / Pexels

Nous avons sans doute tous déjà vu au moins une fois un pendule de Newton. Lorsqu’il est en action, il devient très difficile de détacher notre regard. Cet objet est constitué de généralement 5 pendules placés côte à côte. Ce dispositif met en évidence le principe de conservation de l’énergie cinétique et la quantité de mouvement.

Ce que nous voyons avec le pendule de Newton

Lorsque nous lâchons une bille depuis une certaine hauteur, elle vient heurter les billes du milieu, puis la boule se situant à l’extrémité va être projetée et elle se retrouvera à la hauteur initiale qu’avait la première. Ensuite, elle rechute contre les billes du milieu, et le mécanisme continuera de nombreuses fois.

Si cette fois-ci nous lâchons deux billes en même temps depuis une certaine hauteur, alors elles viendront encore heurter les billes du milieu, mais cette fois-ci de l’autre côté, ce seront aussi deux billes qui s’élèveront.

Les deux observations précédentes sont largement répandues dans l’esprit de beaucoup de monde. En revanche, les deux suivantes le sont un peu moins.

Prenons le cas où le pendule de Newton a 5 billes. Si nous prenons 3 billes, et que les lâchons, nous verrons alors qu’après avoir heurté les deux billes du milieu, 3 billes seront alors projetées de l’autre côté.

Lorsque nous prenons une bille de chaque extrémité, et que nous les lâchons en même temps depuis une certaine hauteur, alors celles-ci heurteront les billes du milieu, et ensuite, toutes deux remonteront à leur hauteur initiale.

Voici une vidéo qui illustre les observations décrites précédemment, ainsi que d’autres possibilités du pendule de Newton :

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Le principe du pendule de Newton

Pour comprendre le principe mécanique qui permet toutes ces observations, il faut tout d’abord prendre en compte le fait que toutes les billes ont la même masse et la même dimension, et qu’elles sont des sphères quasiment parfaites. Le phénomène que l’on observe est la conservation de l’énergie cinétique et de la quantité de mouvement.

L’énergie cinétique définit l’énergie que possède un corps lorsqu’il est en mouvement par rapport à un référentiel. Dans notre cas, le référentiel c’est la Terre.

Plus concrètement, lorsqu’une bille A est en mouvement, et qu’elle vient frapper une bille B identique et qui n’est pas en mouvement, la bille A s’arrête, et la bille B se met en mouvement, avec la même énergie et mouvement que la bille A. Ainsi, l’énergie cinétique et la quantité de mouvement de la bille A est conservée, et est transmise à la bille B.

Ainsi, dans le pendule de Newton, l’énergie et la quantité de mouvement qu’a la première bille lorsqu’elle est lâchée seront transmises à la première bille qu’elle heurtera (qui est la deuxième bille du pendule). Cette dernière ne pourra pas se déplacer, car elle se heurtera à la 3e bille du pendule. Toutefois, la deuxième bille transmettra l’énergie reçue à la 3e bille, car l’énergie se conserve et ne peut pas disparaître, et ainsi de suite. Lorsque la 5e bille du pendule – donc la dernière – recevra l’énergie cinétique et la quantité de mouvement, elle n’aura pas d’autre choix que d’être projetée, car elle ne pourra transmettre son énergie à aucune autre bille.

Ainsi, le pendule de Newton illustre la conservation de l’énergie cinétique et de la quantité de mouvement. En négligeant les forces de frottement d’air et mécaniques, l’énergie cinétique et la quantité de mouvement seraient toujours conservées…

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