An introduction to physics in the context of everyday objects.
How Does a Skater Start, Stop, or Turn?
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En provenance du cours de University of Virginia
How Things Work: An Introduction to Physics
887 notes
À partir de la leçon
Skating
Professor Bloomfield examines the principle of inertia through skate boarding. Objects at rest tend to remain at rest while objects in motion, tend to remain in motion. Why does a stationary skater remain stationary? Why does a moving skater tend to continue moving? How can we describe the fluid, effortless motion of a coasting skater? How does a skater start, stop, or turn? Why does a skater need ice or wheels in order to skate? Physics concepts covered include Newton's first and second laws and 5 physical quantities: position, velocity, acceleration, force, and mass.
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Louis A. BloomfieldProfessor of Physics
Comment un patineur fait-il pour démarrer, s'arrêter ou tourner?
La réponse est qu'une force agit sur
le patineur et provoque chez le patineur une accélération.
Une fois de plus, c'est une réponse qui implique une nouvelle grandeur physique.
Cette fois, l'accélération. Et il est temps pour moi de présenter ce
terme. Comme je l'ai dit plus tôt, le vecteur vitesse d'un patineur
se compose de la vitesse à laquelle le patineur se déplace et de la direction dans
laquelle il se dirige. S'il est inertiel, c'est-à-dire s'il ne
subit aucune force globale, son vecteur vitesse est constant.
Il a une vitesse constante et une direction de déplacement constante.
Mais s'il n'est pas inertiel, s'il subit une force globale, alors
son vecteur vitesse change avec le temps. Il accélère.
L'accélération mesure l'allure à laquelle le vecteur vitesse d'un objet change
avec le temps. C'est une grandeur subtile.
Ce n'est pas si facile à observer. Vous devez regarder attentivement.
En outre, c'est aussi une grandeur vectorielle. Elle a une quantité et une direction.
Je vais vous montrer. Je vais être l'objet, et je vais
accélérer. Mais d'abord, je vais me donner un peu d'espace.
Je me mets ici pour démarrer. Et je vais accélérer en direction de votre
droite. Tout d'abord, je ne vais pas
accélérer. Ici, je suis au vecteur vitesse zéro.
Je suis toujours au vecteur vitesse zéro, toujours au vecteur vitesse zéro.
Donc, mon vecteur vitesse
ne change pas avec le temps, je n'accélère pas.
Mais je vais accélérer vers la droite à une allure lente et mon vecteur vitesse
va se développer. Allons-y,
vers la droite. Et ce sera plus rapide et plus rapide et
plus en plus rapide jusqu'à ce que je disparaisse de la vue.
Très bien. Donc, ce que vous devez observer ce n'est pas
mon mouvement, en soi, le fait que j'ai tout simplement un vecteur vitesse.
Vous devez observer le changement de mon vecteur vitesse.
Il va de lentement vers la droite,
à plus vite et plus vite et encore plus vite vers la droite.
Maintenant, je vais vous montrer une accélération vers votre gauche.
Et je vais faire une accélération assez rapide vers la gauche.
Prêt, prêt. Whoa, je pars.
Très bien.
Dans ces cas, j'accélérais dans la direction de mon vecteur vitesse.
Et mon vecteur vitesse augmentait en conséquence.
J'allais plus vite. Ma vitesse était en constante augmentation et
c'est ainsi que démarre un patineur. Le patineur part du repos avec un vecteur
vitesse de zéro, choisit une direction dans laquelle accélérer,
et commence à prendre de la vitesse dans cette direction.
Et continue d'accélérer dans cette direction,
ainsi, il va de plus en plus vite.
L'unité de mesure SI de l'accélération est le mètre par seconde par seconde
ou mètre par seconde au carré.
Maintenant, l'accélération n'est une notion très familière
pour personne. Donc, l'unité familière pour l'accélération aux
États-Unis n'est pas si familière que cela. Mais c'est le pied par seconde au carré.
Eh bien, nous avons maintenant le vecteur vitesse et l'accélération. Mon
vecteur vitesse est la vitesse de
mon mouvement dans la direction où je me dirige.
Mon accélération est la manière dont le vecteur vitesse change avec le temps.
Et cette accélération a à la fois une quantité et une direction.
Eh bien, permettez-moi de vous montrer quelques exemples.
Si j'accélère dans la direction de mon vecteur vitesse,comme nous
l'avons vu, je prends de la vitesse.
D'autre part, si j'accélère dans la direction opposée à celle de mon vecteur vitesse,
Je vais ralentir. Je vais vous montrer.
Ne regardez pas encore. Laissez-moi me préparer, parce que
je ne peux pas tout faire à la fois. Donc, je vais commencer.
Maintenant, je me déplace vers la droite mais j'accélère vers la gauche, et regardez
ce qui arrive à mon vecteur vitesse. Je m'arrête un instant et si
je continue à accélérer vers l'arrière ici vers votre gauche, je prends
de la vitesse et je disparais
hors de vue sur la gauche. Eh bien,
en accélérant vers l'avant, c'est-à-dire dans la direction de mon vecteur vitesse,
je prends de la vitesse
nous, cela nous convient d'appeler cela une accélération.
Mais si j'accélère dans la direction opposée à celle de mon vecteur vitesse,
Je vais le refaire. Donc, je vais me préparer. Alors, allons-y, prêt, démarrage.
Et maintenant, je vais accélérer dans la direction opposée à mon vecteur vitesse,
je viens à l'arrêt, puis je prends
de la vitesse dans la direction opposée. Au cours de la partie arrêt de cette histoire,
alors que je me dirigeais vers la droite mais accélérais vers la gauche et ralentissais,
nous avons un nom spécial que nous appliquons souvent à ce type d'accélération,
l'accélération en direction opposée à votre vecteur vitesse.
Nous l'appelons la décélération.
Ce n'est pas nécessairement un concept à part entière.
C'est juste un cas particulier de l'accélération.
Une accélération dans la direction opposée à votre vecteur vitesse vous fait décélérer.
Mais il y a au moins un autre exemple intéressant de l'accélération.
Qu'advient-il si au lieu d'accélérer dans la direction de mon vecteur vitesse ou
dans la direction opposée , j'accélère sur le côté?
Ainsi, supposons que je démarre vers votre droite,
mon vecteur vitesse sera dirigé vers la droite. Comme ceci.
Ok, je me déplace vers la droite. Et je vais accélérer en m'éloignant de
vous. Oh, j'ai tourné et maintenant je continuer à accélérer
vers ma gauche, regardez ce qui m'arrive.
Je tourne en rond. Ce qui se passe, c'est que, si vous accélérez,
non pas dans la direction du vecteur vitesse, ni dans la direction opposée, mais plutôt
sur le côté, vous tournez. Nous pouvons maintenant répondre à la question
de comment un patineur démarre, s'arrête et tourne. Pour démarrer, le patineur
qui est au repos, le patineur doit choisir une direction et
commencer à accélérer dans cette direction. Ainsi, alors voici, je vais le faire,
Je serai le patineur et je vais commencer au repos et je veux que nous,
Je veux partir vers la droite. Nous allons parler de ce qui provoque cette
accélération, mais je vais développer un vecteur vitesse qui devient de plus en
plus grand vers la droite. Allons-y.
Très bien. Donc, pour commencer, je choisis une direction, puis
Je continue à accélérer dans la même direction,
prenant ainsi de la vitesse dans la direction que j'avais choisie.
Très bien. Pour arrêter, qu'est-ce que le patineur fait?
Eh bien, le patineur part alors d'une situation en mouvement et accélère dans la direction
opposée à celle de son vecteur vitesse. Donc, je vais le refaire.
Allons-y. Je vais commencer.
Je suis un patineur se déplaçant et je veux m'arrêter. J'accélère
vers l'arrière, dans la direction opposée à mon vecteur vitesse, et je ralentis.
Je m'arrête. Et si le patineur veut tourner ,
le patineur accélère dans une direction qui n'est ni vers l'avant ni
vers l'arrière, mais sur le côté.
Ainsi, le patineur se dirigerait,
je vais le faire autrement. Il se dirigerait de nouveau vers la droite.
Et maintenant, il décide de tourner de plus en
plus vers vous tous. Et ainsi le patineur se dirige vers la
droite et accélère vers vous. Et le vecteur vitesse du patineur change et
le patineur commence à tourner. Donc, nous allons voir si vous avez compris
tout cela. Je vais me déplacer.
Et puis, je vais vous poser des questions sur mon vecteur vitesse et mon accélération.
Dans quelle direction sont mon vecteur vitesse et mon accélération,
pas encore, mais maintenant ?
Mon vecteur vitesse était vers le haut des escaliers parce que c'est la direction
dans laquelle je me déplaçais, mais
mon accélération était vers le bas des escaliers parce que je ralentissais.
J'accélérais dans le sens opposé à mon vecteur vitesse et donc,
je perdais de la vitesse
dirigée vers le haut. Donc, j'ai démarré à grande vitesse et puis,
parce que j'accélérais vers le bas des escaliers, je ralentissais.
Et si j'avais accéléré suffisamment vers le bas des escaliers?
Je me serais arrêté. Et si je continuais à glisser vers le bas des
escaliers, j'aurais pris de la vitesse vers le bas, en direction du bas des escaliers.
Une des raisons pour lesquelles il est si difficile de voir l'accélération est qu'il faut
au moins trois coups d'œil pour la mesurer. En revanche, il suffit d'un coup d'œil pour
mesurer la position et de deux coups d'œil pour mesurer le vecteur vitesse.
Je vais vous montrer. Tout d'abord, ma position. Là, en un seul coup d'œil,
vous connaissez ma position. Maintenant, mon vecteur vitesse.
[SON] Là, en deux coups d'oeil, vous pouvez voir ma position
à un moment dans le temps et une seconde plus tard.
Et en comparant les deux, vous pouvez voir comment ma position
change avec le temps de sorte que vous connaissez mon vecteur vitesse.
Mais pour voir mon accélération, il faut trois coups d'œil.
[SON] Si vous regardez ces trois instantanés, la première paire vous donnera mon
vecteur vitesse au début. En comparant ces deux positions,
vous savez à quelle vitesse je me déplaçais et dans quelle direction.
La deuxième paire vous donnera mon vecteur vitesse une seconde plus tard.
Et en comparant ces deux positions, vous pouvez calculer mon vecteur vitesse,
sa direction et sa vitesse. Et en comparant ces deux vecteurs vitesse,
le premier vecteur vitesse et mon vecteur vitesse une seconde plus tard, vous pouvez
voir comment mon vecteur vitesse
a changé avec le temps. Vous pouvez voir mon accélération.
Quand un patineur démarre, s'arrête ou tourne, ce patineur accélère.
Et l'accélération du patineur est causée par une force extérieure exercée sur
le patineur par quelque chose dans son environnement. Lorsque le
patineur est en terrain plat, sol ou glace,
le quelque chose qui le pousse généralement, c'est le sol lui-même.
Par exemple, je peux accélérer vers la droite en appuyant sur le sol vers
la gauche. Lorsque je pousse le sol vers la gauche,
il va réagir en me poussant vers la droite.
Ce sera une force externe sur moi vers la droite et je vais accélérer
vers la droite. Allons-y.
Eh bien, je ne suis pas un fameux planchiste. Mais, vous pouvez voir que l'acte de
pousser le sol vers la gauche a eu pour effet que le sol me pousse vers la droite
et j'ai accéléré vers la droite. Nous allons parler de l'interaction entre
mon pied et le sol un autre jour. Ce qui importe est que j'ai obtenu une
force vers la droite et j'ai accéléré vers la droite en réponse.
Dans la plupart des cas, le patineur subit plus d'une seule force.
Il ya beaucoup de forces. Par exemple, quand j'étais sur la planche à roulettes
juste là sans bouger, la gravité me tirait vers le bas et la planche à roulettes me poussait
vers le haut. Il y a déjà deux forces supplémentaires dans le
mélange. Plus celle obtenue à partir du sol. C'est compliqué.
Eh bien, vous ne pouvez pas avoir plusieurs accélérations. Vous ne
répondez pas à chaque force
individuelle en accélérant. Au lieu de cela, vous répondez à la somme de toutes
les forces agissant sur vous, où l'intensité et la direction de chacune de ces
forces individuelles sont prises en compte.
Cette somme de toutes les forces agissant sur vous est appelé la force résultante.
La force résultante agit sur vous et vous accélérez en réponse à cette force résultante.
Quand j'accélérais vers la droite en appuyant sur le sol vers la gauche,
comme ça à nouveau. [Rires] Woah.
Danger, danger. J'ai eu brièvement une force résultante vers la
droite agissant sur moi et j'ai accéléré en réponse à cela.
Votre accélération en réponse à la force résultante est proportionnelle
à cette force résultante.
Plus grande la force résultante, plus grande votre accélération.
Et les deux sont dans la même direction. Votre accélération est dans la
direction de la force résultante agissant sur vous. Maintenant, supposons que je
décide d'aller faire de la planche
à roulettes avec une brique de plomb. Les physiciens aiment les briques de plomb.
Donc, j'ai cette brique. Je vais chercher ma planche à roulettes et maintenant,
Je ne vais pas le faire, je suis déjà assez mauvais à la planche
à roulettes sans la brique de plomb
dans ma main. Mais si je me tiens sur la planche à roulettes
et pousse sur le sol vers la gauche, le sol me pousse aussi fort qu'avant
avant vers la droite et je commence à accélérer vers la droite, mais pas aussi
rapidement. Donc, avoir cet objet supplémentaire avec moi
diminue fortement mon accélération. Pourquoi cela?
Eh bien, j'ai plus d'inertie. Et en fait, j'ai plus de cette mesure
de l'inertie que l'on appelle la masse. Ainsi, la masse est la mesure de l'inertie
d'un objet. Et ma masse sans la brique est une
certaine quantité et j'accélère assez rapidement.
Ma masse avec la brique de plomb est plus grande et j'accélère moins
rapidement. Alors, ce que nous
voyons est que, plus un objet a de masse, c'est-à-dire, plus son inertie est grande,
moins il accélère en réponse à une force donnée.
En fait, l'accélération d'un objet est inversement proportionnelle à sa masse,
tout le reste étant égal. Si vous poussez avec la même force sur plusieurs
objets différents, chacun va accélérer en proportion de un sur sa masse.
Ainsi, nous voyons l'ensemble, je vais écrire cela.
Nous voyons qu'un objet accélère
en proportion de la force résultante agissant sur lui et de façon
inversement proportionnelle à sa masse.
Nous pouvons rapprocher ces deux facteurs dans une seule équation, qu'on appelle
la deuxième loi du mouvement de Newton : un objet accélère et son accélération est
égale à la force résultante agissant sur lui divisée par sa masse.
Les deux grandeurs physiques à droite de cette équation, la force résultante
agissant sur le patineur, et la masse du patineur sont la cause de cet effet et
le résultat est une accélération du patineur. Donc, nous avons la cause et l'effet
clairement distingués dans cette forme de la deuxième loi du mouvement de Newton.
Néanmoins, il est devenu traditionnel de réorganiser cette équation algébrique pour
se débarrasser de la division. Et donc, l'équation est traditionnellement écrite :
la force résultante agissant sur le patineur est égale à la masse du patineur
fois l'accélération du patineur. Cette façon traditionnelle d'écrire l'équation de la
deuxième loi du mouvement de Newton confond, mêle la cause et l'effet,
et donc je ne l'aime pas
particulièrement. Néanmoins, elle figure dans un très grand nombre
de manuels scolaires.
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