Qui a inventé le pendule de Newton ?
Contrairement à l’opinion populaire et à son nom, le pendule à mouvement perpétuel n’a pas été inventée par Isaac Newton et il n’a pas non plus été la première personne à écrire les règles que le jouet présente.
Les principes démontrés par un boulier ont été discutés pour la première fois dans un article rédigé par John Wallis, Christopher Wren et Christiaan Huygens devant la Royal Society en 1662. Christiaan Huygens, en particulier, est celui qui a le plus contribué à la création du berceau. Le document de recherche de Huygens, De Motu Corporum ex Percussione, examine les collisions d’objets suspendus ainsi que le transfert de mouvement d’un corps en mouvement à un corps au repos. Huygens a été le premier à mentionner que pour expliquer le mécanisme d’un pendule à boules, il fallait utiliser la conservation de la quantité de mouvement et un nombre proportionnel à la vitesse multipliée par la masse au carré. La quantité masse multipliée par la vitesse au carré est, en réalité, l’énergie cinétique d’un corps en mouvement, mais ce terme a été inventé presque 100 ans après la découverte d’Huygens.
D’autre part, la loi de conservation de la quantité de mouvement a été initialement proposée par René Descartes. Cependant, la représentation mathématique qu’il a proposée incluait la vitesse au lieu de la vélocité. La formule de René, quantité de mouvement = masse x vitesse, pouvait être utilisée dans certains scénarios, mais ne permettait pas d’expliquer la collision d’objets et les quantités de mouvement qui en résultent. Huygens a remplacé la vitesse par la vélocité, une valeur vectorielle qui était plus efficace pour expliquer les collisions d’objets.
Dans le même esprit d’objets qui captivent le regard, nos sabliers déco combinent physique et esthétique sur votre bureau.
Une autre piste mène à l’abbé Mariotte, un prêtre et physicien français, qui a été le premier à réaliser et à enregistrer des expériences utilisant des boules de pendule. Issac Newton a parlé des recherches de Mariotte dans son livre Principia et c’est toute sa contribution au système que l’on connaît actuellement comme le sien.
En réalité, on pense que le boulier a été nommé en l’honneur de Newton pour deux raisons.
- On pourrait dériver la loi de conservation à partir de la deuxième loi de Newton (Force = masse + accélération)
- En hommage à la contribution plus importante de Newton à la science de la physique par rapport à Huygens ou Mariotte.
Comment fonctionne un pendule de Newton ?
Que vous le connaissiez sous le nom de pendule de Newton ou boulier de Newton, il y a de fortes chances que vous ayez déjà vu ce jouet de bureau éducatif qui semble défier toute explication. Cet objet scientifique se compose d’une rangée de cinq boules métalliques, positionnées de manière à se toucher à peine et suspendues à un cadre par de fins fils.
Lorsqu’une boule située à une extrémité du pendule est éloignée des autres et relâchée, elle frappe la boule suivante, qui reste immobile. Mais la balle située à l’extrémité opposée de la rangée est projetée en l’air, puis revient frapper les autres balles, ce qui déclenche la réaction en chaîne en sens inverse.
Alors comment fonctionne le boulier de Newton ? Le dispositif peut être expliqué à l’aide de certains des principes fondamentaux de la physique et de la mécanique (tels que théorisés par Sir Isaac Newton, René Descartes et d’autres).
Le pendule de Newton démontre avec justesse le principe de la conservation de la quantité de mouvement (masse multipliée par la vitesse). Ce principe stipule que lorsque deux objets entrent en collision, la quantité de mouvement totale des objets avant la collision est égale à la quantité de mouvement totale des objets après la collision.
En d’autres termes, lorsque la première balle du berceau de Newton entre en collision avec la seconde, la première balle s’arrête, mais son élan n’est pas perdu, juste transféré à la deuxième balle, puis à la troisième, puis à la quatrième, jusqu’à ce qu’elle atteigne la toute dernière balle. Vous êtes témoin de cette conservation de l’élan lorsque la dernière balle se balance dans les airs avec presque le même élan que la première balle. Ainsi, si deux balles sont soulevées dans les airs à une extrémité de l’appareil et relâchées, alors deux balles à l’extrémité opposée se balanceront en réponse.
Ce mouvement perpétuel de boules est également la preuve de la loi de conservation de l’énergie de Newton, qui stipule que l’énergie ne peut être ni créée ni détruite, mais qu’elle peut changer de forme. Le berceau de Newton illustre assez bien cette dernière partie de la loi, car il convertit l’énergie potentielle d’une balle en énergie cinétique qui est transférée le long de la ligne de balles et entraîne finalement le balancement vers le haut de la dernière balle.
Le pendule de Newton fait partie de notre collection d’objets insolites qui fascinent autant qu’ils décorent.
FAQ sur le berceau de Newton
Est-ce que la pendule de Newton s’arrête et pourquoi ?
Au fur et à mesure que les balles se balancent à chaque extrémité, les balles finissent par perdre de l’énergie pour beaucoup de choses. Notamment le frottement de l’air, le son lorsqu’ils entrent en collision et enfin la chaleur lors de la collision. Tous ces facteurs enlèvent de l’énergie aux balles jusqu’à ce que l’énergie cinétique et l’élan soient réduits à zéro, ce qui ralentit les balles et les fait s’arrêter. Les pendules de Newton fonctionnent plus ou moins longtemps selon le modèle, mais ils finissent tous par s’arrêter par manque d’énergie.
Qu’est-ce qui anime la dernière bille d’un pendule de Newton ?
Le pendule de Newton est composé de 5 boules suspendues par des fils. Quand on éloigne la première boule de son équilibre et qu’on la lâche, la force gravitationnelle l’attire et elle frappe la seconde boule. L’énergie cinétique est ainsi transmise jusqu’à la dernière boule, provoquant le mouvement de celle-ci. En effet, elle sera forcée de se balancer, car elle ne peut pass transférer son énergie à une autre boule.
À quoi sert le pendule de Newton ?
Vous trouvez souvent le pendule de Newton sur les bureaux du monde entier. Cet objet scientifique élégant aide à démontrer la conservation de l’énergie, la conservation de la quantité de mouvement et le principe du frottement avec des balles qui se balancent et se heurtent. C’est aussi un anti-stress idéal pour décorer votre espace.
Un boulier de Newton ne peut-il fonctionner qu’avec certains matériaux ?
Le principe de Newton fonctionne avec n’importe quel matériau tant que les balles sont très élastiques et de densité uniforme. L’acier inoxydable est l’un des matériaux les plus courants, car il est à la fois très élastique et relativement bon marché. D’autres métaux élastiques comme le titane fonctionnent également, mais sont plus chers.
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Pourquoi une seule bille repart
C’est la question qui fait toute la physique de l’objet. Quand une bille frappe la rangée, pourquoi n’est-ce pas deux billes qui repartent de l’autre côté, chacune à la moitié de la vitesse ? Parce que deux lois doivent être respectées en même temps : la conservation de la quantité de mouvement (masse fois vitesse) et la conservation de l’énergie cinétique (masse fois vitesse au carré, divisé par deux). Deux billes à mi-vitesse conserveraient la quantité de mouvement mais perdraient la moitié de l’énergie. La seule solution qui satisfait les deux équations, c’est une bille qui repart avec toute la vitesse. Levez deux billes, deux repartent ; trois, trois repartent. Le système n’a pas le choix.
Le nom « berceau de Newton » est un hommage, pas une attribution : Newton n’a jamais construit ce dispositif. Il a été popularisé comme objet de bureau dans les années 1960.
À quoi sert un pendule de Newton
- Une leçon de mécanique sans ouvrir un livre. Conservation de la quantité de mouvement, conservation de l’énergie, dissipation par frottement : trois notions du programme de lycée, visibles en dix secondes.
- Une pause pour l’attention. Le balancement régulier et le clic des billes fixent le regard ; beaucoup l’utilisent comme micro-pause entre deux tâches. C’est l’effet de n’importe quel mouvement périodique, pas une vertu de l’objet.
- Un objet de bureau qui dit quelque chose. Le pendule est devenu le symbole de l’action et de la réaction ; c’est l’accessoire du bureau « executive » depuis soixante ans.
- Une première expérience de physique pour un enfant. Et si je lance deux billes ? Et trois ? La réponse arrive avant la question, sans écran.
Comment choisir son pendule de Newton
La taille et la masse des billes
C’est le critère qui fait tout. Des billes d’au moins 2 cm en acier plein donnent un clic net et une oscillation qui dure plus d’une minute. Les mini-pendules à petites billes creuses s’arrêtent en dix secondes et déçoivent.
Le socle
Métal ou bois massif. Un socle en plastique léger vibre et absorbe l’énergie à chaque impact. Le pendule doit être posé sur une surface dure et parfaitement plane.
Les fils
Deux fils par bille, en V, de longueurs rigoureusement égales : au repos, toutes les billes doivent se toucher sur une même ligne. Un modèle à fils réglables permet de corriger un alignement imparfait après le transport.
La durée d’oscillation
Un bon pendule oscille au moins trente secondes après un lancement à une bille, les meilleurs deux à trois minutes. Si la fiche ne mentionne rien, méfiance.
Pour qui
| Usage | Ce qu’il faut | Notre choix |
|---|---|---|
| Bureau | 15 à 18 cm, socle métal, billes chromées | Pendule de Newton Acier Chromé, 36,90 € |
| Le classique le plus vendu | Format standard, billes 2 cm | Pendule de Newton Sphère Céleste, 24,90 € |
| Démonstration ou cadeau à un passionné | Grand format, billes lourdes | Pendule de Newton Bâton, 154,90 €, ou le Pendule de Luxe, 119,90 € |
| Petit budget | Compact, billes acier | Pendule de Newton Design, 21,90 € |
| Enfant | Format solide, billes protégées | Pendule de Newton Enfant, 22,90 € |
Les erreurs à éviter
- Le modèle à 5 € : il s’arrête en dix secondes et frustre plus qu’il n’explique.
- Le socle en plastique, qui vibre et mange l’énergie.
- Des billes qui ne se touchent pas parfaitement au repos : le transfert d’énergie est mauvais et l’oscillation meurt vite.
- Une surface molle ou inclinée : le pendule a besoin d’un plan dur et horizontal.
