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.
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.
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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