Résistance des matériaux - Line X

Le Line X est un recouvrement de caisse de camion pulvérisé qui crée un recouvrement protecteur. Ce produit permet de créer une cohésion à la surface du corps qu'il recouvre et l'empêche de se fracasser. En fait, lorsqu'il recouvre complètement un corps, il forme une coquille ayant une grande élasticité. Lorsque l'objet couvert de cette coquille de Line X subit un impact, la coquille se déforme et absorbe de l'énergie lors de sa déformation sans toutefois se rompre.

MythBusters - Explosion de C4 à proximité d'un mur 
https://www.youtube.com/watch?v=3JOXrpCLCJg

How Ridiculous - Chute libre d'un melon d'eau recouvert de Line X
https://www.youtube.com/watch?v=RLpsIuhTb8k

 Sources :
By ArmorThane - PC file, CC0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=20400774

Collisions - Impulsion

Liste d'animations de collisions.

http://waitbutwhy.com/2014/10/29-delicious-slow-motion-gifs.html

Dynamique de rotation - Voitures

Les voitures sont des objets qui nous permettent de bien comprendre la dynamique de rotation étant donné que les différents mouvement nous sont intuitifs puisqu'on peut "ressentir" les forces à bord d'un véhicule.


Accélération en ligne droite

Les Dragster subissent une très grande accélération au démarrage en raison du grand frottement que la route exerce sur les roues motrices (en réaction au couple de propulsion ou traction exercée par les roues).

Camaro en accélération. Remarquez que ses roues avant sont soulevées.

Dragster. Remarquez la déformation du pneu arrière.

Déformation des pneus causée par le couple moteur aux roues.

Avant démarrage
Pour avoir une meilleure adhérence à la route, les pilotes exécutent un "burnout" des roues : sur une "burnout box" (zone de route mouillée) le pilote donne une grande puissance aux roues arrières qui se mettent à tourner sur elles-mêmes. Le véhicule avance sur une surface sèche où le pilote maintient les freins sur les roues avant et les pneus se réchauffent et deviennent plus mous ce qui permet une meilleure adhérence.

Durant l'accélération - "Torque steer"
Lorsqu'il y a un grand moment (couple) appliqué aux roues, il est possible que les roues motrices ne reçoivent pas la même puissance et ce déséquilibre de puissance crée une tendance de la voiture à "tirer" plus d'un côté.

Une des raisons de ce déséquilibre de puissance est la différence de longueur entre les essieux des roues motrices.

Site web avec une explication détaillée : http://www.agcoauto.com/content/news/p2_articleid/249

https://www.youtube.com/watch?v=0RlktUKNJq0

Durant l'accélération - "Rotation"

Lorsque le frottement de la route sur les roues applique une force vers l'avant, la voiture a tendance à tourner par rapport à ses roues arrières.

Remarquez les petites roues à l'arrière pour empêcher la voiture de se renveser

À grande vitesse - L'envol

Lorsque l'air qui change de direction au contact de la voiture est davantage accélérée sur la surface du dessus de la voiture que la surface du dessous de la voiture, celle-ci devient comme une aile. Lorsque la vitesse est suffisante, la différence de pression entre le haut et le bas de la voiture créee une force de portance qui soulève la voiture.

https://www.youtube.com/watch?v=vtzeCki5lqc

Au freinage - La rollo car

Lors du freinage, la direction du frottement entre les roues et la chaussée est vers l'arrière et donc la voiture a tendance à piquer du nez.
https://www.youtube.com/watch?v=Drmh0WEGeOg

Sources images


"Pro Street Camaro at launch" by Philtre - Own work. Licensed under CC BY 3.0 via Wikimedia Commons.

"Top Dragster" by GSenkow - Own work. Licensed under CC BY-SA 3.0 via Wikimedia Commons.

https://www.pinterest.com/Mclovin312/stuff-i-like-and-stuff/

"Super Stock" by GSenkow - Own work. Licensed under CC BY-SA 3.0 via Wikimedia Commons.

Quantité de mouvement - Propulsion

Les microsatellites sont de petits satellites de volume d'environ 1 L et de moins de 2 kg. Étant donné leur petite taille, il est difficile de les doter d'un système de propulsion. Un mode de propulsion proposé par un laboratoire du MIT (Massachussetts Institute of Technology) est la sublimation de la glace.

CubeSat : microsatellite

Conservation de la quantité de mouvement
Lorsque la glace passe de l'état solide à gazeux, on dirige la vapeur d'eau émise à l'aide d'un bec ("nozzle") : puisqu'il n'y a aucune force extérieure (on néglige la gravité durant l'impulsion) la quantité de mouvement se conserve avant et après l'éjection de la vapeur d'eau. Les particule de vapeur d'eau qui quittent dans une direction ce qui permet de propulser le microsatellite dans l'autre direction.

La sublimation requiert un apport en chaleur qui peut provenir d'une batterie ou d'un panneau solaire. Les calculs du MIT suggèrent qu'afin d'atteindre la vitesse de libération à partir d'une orbite basse terrestre, il ne faudrait que 5 onces (environ 150 g) de glace.

Article :
http://www.geek.com/science/new-satellite-propulsion-system-uses-only-ice-as-fuel-1618134/

Source images :
"CubeSat in hand" by Svobodat - Own work. Licensed under CC BY-SA 3.0 via Wikimedia Commons.

Inertie et frottement

Suggestion de : François D.

Inertie : résistance d'un corps à changer son état de mouvement.

Pour le mouvement de translation, l'inertie d'un corps est donnée par sa masse.

Déchargement de bamboo : l'inertie à l'oeuvre

Cette propriété de la matière peut être utilisée à des fins de déchargement. Lorsqu'un corps a une certaine vitesse, il faudra lui appliquer une certaine force pour le freiner. Cette force peut provenir du frottement entre le corps et la surface sur laquelle il repose. 

Frottement : force qui s'oppose au mouvement relatif entre deux surfaces

Si le frottement nécessaire est supérieur au frottement statique maximal que peut offrir les surfaces en contact, il y aura glissement. 

Dans le cas du chargement de bamboo qui repose sur la plateforme d'un camion, si on veut faire glisser le bamboo (pour le décharger), on peut utilier son inertie. On donne une vitesse au bamboo vers l'arrière en allant en marche arrière avec le camion. À ce moment, le bamboo "veut" continuer de reculer. Si le camion freine subitement (grande accélération vers l'avant), le bamboo "veut" continuer de reculer et c'est le frottement entre lui et le camion qui va tenter de le ralentir. Si la force de frottement requise pour imposer la même décélération du camion au chargement est supérieure aux frottement statique maximal qui peut exister entre le bamboo et la surface du camion, le chargement glisse sur la plateforme. Cela signifie que le bamboo ne ralentit pas au même taux que le camion et donc qu'il se déplace par rapport au camion (il glisse vers l'arrière).

Source : 

http://www.heartofcars.com/trucks/truck-driver-unloads-like-a-boss/?utm_source=facebook&utm_medium=cpc&utm_content=1&utm_campaign=fb+bamboo+truck+ca

Accélération et le corps humain

Force g
Un force g est une mesure du type d'accélération causée par le contact entre deux surfaces. Le nom porte à confusion, car une force g est une accélération qui est mesurée avec un accéléromètre et non une force.

Force g = accélération causée par les forces de contact
(Exclus : poids)

Cependant, une accélération subie par un corps fait ressentir à ce dernier un poids différent de son poids en absence d'accélération. C'est ce qu'on nomme le poids apparent et c'est donc cette force causée par une accélération qui est les résultat de la force g. La force g peut donc être considérée comme la force résultante de toutes les force non gravitationnelles (et non électromagnétiques) agissant sur un corps. Ce sont les forces de contact appliquées sur un corps.

John Stapp durant un test à 421 mph (678 km/h)

Exemples de force g
Un corps au repos sur la surface de la Terre subit une force de 1 g, c'est à dire, la normale que le sol exerce sur lui provoque une accélération vers le haut qui annule l'accélération vers le bas due au poids.

Un corps en chute libre (sans frottement) subira une accélération de 0 g, d'où l'expression "zero-g flight" des avions qui font des vols paraboliques pour recréer l'effet d’apesanteur. Voir à ce sujet l'article Apesenteur.

Une personne dans un ascenseur qui est accéléré vers le haut subira une force g vers le haut et aura l'impression d'être plus lourde. Cette impression est due à la force normale entre le plancher et les pieds de la personne qui augmente, ce qui signifie un plus grand poids apparent.

Force 0 g = Chute libre
Force 1 g = Corps au repos à la surface de la Terre
Force supérieure à 1 g = Corps qui subit une force de contact qui le fait accélérer

Accélération g
Le corps humain est sensible aux accélérations.

Limites du corps humain
Le corps peut "survivre" à une accélération de 100 g si la durée est d'une fraction de seconde (ex.: une claque en pleine figure).

Exemples de forces g

• Debout à la surface de la Terre - 1 g
• Manège qui imite une chute libre - 0 g
• Debout à la surface de la lune à son équateur - 0,1654 g
• Bugatti Veyron de 0 à 100 km/h en 2,4 s - 1,18 g
• Montagnes russes à grandes accélérations - 3,5-6,3 g
• Voiture de drag - 4,2 g
• Formule 1 sous freinage maximal - 5 g
• Manoeuvre de tourner en jet - 9-12 g

Combinaison anti g
Puisque les pilotes d'avion de chasse subissent de grandes forces g, ils y a risque d'évanouissement (voile noire). Afin de diminuer ces risques, les combinaisons anti g serrent les jambes et l'abdomène afin d'éviter que la tête viennent qu'à manquer de sang lors des grandes accélérations.

Combinaison anti g

John Stapp
John Stapp, un officier de la Air Force, a réalisé des tests sur les effets de l'accélération du corps humain. En quelque sorte, le pionnier des "crash test dummy", ces mannequins qui sont utilisés dans diverses situations de collisions afin de mesurer les effets possible sur un humain.

Le test ultime réalisé par Stapp, fut une décélération de 42 G, l'équivalent de frapper un mur alors qu'on avance à 113 km/h (70 mph).

Vidéo des essais de John Stapp :
https://www.youtube.com/watch?v=s4tuvOer_GI

Crash test dummies

What if
Sur son blog "scientifique", Randall Munroe a répondu à la question : "Si on élimine toutes les règles de course automobile et qu'on faisait un concours de faire tourner un humain autour d'une piste de Nascar 200 fois aussi vite que possible, quelle stratégie gagnerait? On suppose que le pilote doit survivre.

http://what-if.xkcd.com/116/

Sources des images
« Anti-G Suit MSF830 » par When reusing, please credit me asauthor: Adam Kliczek, http://zatrzymujeczas.pl (CC-BY-SA-3.0)If you use my image on your website, please send me an email with webpage adress. If you use my image in your book, please send me one copy to my home adres, which I will provide by email.Contact me at: adam.kliczekgmail.com pl en +/− pl en +/− — Travail personnel. Sous licence GFDL via Wikimedia Commons.

Rotation des balles - Force de Magnus

Effet de Magnus

Une balle (ou cylindre) qui a une rotation dévie de sa trajectoire de vol. Le principe peut être expliqué par la principe de conservation de quantité de mouvement.

" Backspin" Lorsque la balle fait dévier l'air vers le bas, elle subie une force de portance vers le haut.
" Topspin" Lorsque la balle fait dévier l'air vers le haut, elle subie une force de portance vers le bas.

Une balle qui tourne avec un "backspin" fait dévier l'air vers le bas ce qui fait dévier la balle vers le haut.

C'est cet effet qui est utilisé par les sportifs au baseball, golf, soccer, etc afin de créer des effets dans la trajectoire du projectile.

Les fusils Airsoft utilisent cet effet afin d'augmenter la porter des balles sans avoir à augmenter leur vitesse. Un morceau de caoutchouc placé dans la partie supérieure du canon crée de la friction sur la balle lors de son passage ce qui la fait tourner en rétro ("backspin").

Système Hop Up sur les fusils Airsoft

Effet rétro sur les balles de golf.

Bien sûr les joueurs de baseball et de soccer connaissent bien les effets de la rotation des balles ou ballons.

https://www.youtube.com/watch?v=2OSrvzNW9FE

Sources des images
"Sketch of Magnus effect with streamlines and turbulent wake" by Rdurkacz - using inkscape, inspired by original versio of wikipedia diagram. Licensed under CC BY-SA 3.0 via Wikimedia Commons.

"Hop-up animation" by BeadleB - Own work. Licensed under CC BY-SA 3.0 via Wikimedia Commons.

Accélération et poids

Lequel des objets entre une boule de bowling et une plume atteindra en premier le sol s'ils sont lâchés simultanément de la même hauteur?

Question simple?!

Réponse : ça dépend!

Dans un fluide : Force de trainée 

En fait, ça dépend s'il y a un fluide (liquide ou gaz) qui peut exercer une force de traînée sur les objets. Puisque la force de traînée dépend, entre autres, de la surface de l'objet en mouvement, un plus grand objet subira une plus grande force de trainée qui s'oppose à la direction de la vitesse de l'objet. 

Force gravitationnelle

Tous les objets s'attirent. La Terre tire sur les objets avec la même force que ceux-ci tirent sur la Terre. Puisque la Terre a une grande masse, en vertue de la 2e loi de Newton (F = m a), son accélération est negligeable (tant les objets ont un masse négligeable par rapport à la Terre, ce qui est le cas pour les objets qu'on lance dans les airs!) Puisque les objets projetés ont une masse petite, la force gravitationnelle crée une grande accélération. La force gravitationnelle subie par un objet peut être nommée poids d'un objet. Plus grand est son poids, plus grand est sa masse. Cette relation est directement linéaire : 

Accélération de chute - Avec traînée

Appliquons la deuxième loi de Newton lorsqu'un objet subit la force gravitationnelle ainsi qu'une force de trainée due au fluide dans lequel il se trouve lors de sa chute :

L'accélération de l'objet diminue plus que la force de trainée est grande par rapport à la masse.

2 objets de même forme, de masse différente : 

Puisque les deux subissent la même force de trainée, celui qui a la plus grande masse subira la plus grande force résultante et donc aura la plus grande accélération.

Ballon VS Boulet :

2 objets de même masse, de forme différente

L'objet avec la plus petite forme aura la plus grande accélération

2 objets de forme et masse différentes

C'est le rapport :

qui influence l'accélération en chute libre. Donc si les deux objets ont le même rapport, ils auront la même accélération, même s'ils n'ont pas la même forme ni la même masse.

Cuisinière VS oreiller, rapport FT/m différent

http://www.youtube.com/watch?v=RGVcKYpo9EM

Voiture VS roue, rapport FT/m similaire

http://www.youtube.com/watch?v=Pgs3wv3VYy4

Accélération de chute - Sans traînée

Appliquons la deuxième loi de Newton lorsqu'un objet subit uniquement son poids comme force résultante :

Peu importe la masse de l'objet, celui-ci subira toujours la même accélération en chute libre lorsqu'il n'y a pas d'autre force que la force gravitationnelle. 

C'est ce qu'on peut vérifier en l'absence d'atmosphère, soit sur la Lune, soit dans une environnement sous vide.

Sur la Lune, mission Apollo 15, 1971

https://www.youtube.com/watch?v=4mTsrRZEMwA

Environnement sous vide :

https://www.youtube.com/watch?v=E43-CfukEgs

Plan incliné

Le plan incliné est une "machine simple" ; il permet d'appliquer un effort inférieur à la charge. En contre partie, l'effort est appliqué sur une plus grande distance. Ainsi, le travail  fourni par l'effort est égal au travail fait sur la charge.

L'effort est appliqué parallèlement au plan incliné et la distance parcourue par l'effort est donc la distance parallèle au plan incliné. La charge est le poids (vertical) de l'objet et la distance parcourue par la charge est donc la variation de hauteur (verticale) de la charge.

Un exemple d'un immense plan incliné est l'ascenseur à navire à St-Louis-Arzviller en France.

L'avantage mécanique d'un tel système s'obtient en divisant la distance parcourue par l'effort par la distance parcourue par la charge.

Force centripète

Force centripète en auto
Afin qu'un objet puisse tourner (changer de direction), il doit y avoir une force qui pointe vers le centre de rotation. Par exemple, une voiture qui tourne a besoin de friction entre ses roues et la route.

S'il n'y a pas suffisamment de frottement, tel que sur une surface glacée, la voiture ne tournera pas, car la force de friction qui permet le changement de direction est insuffusante.

Pour vérifier si une voiture peut réussir à effectuer un virage avec un rayon de courbure, on utilise l'accélération centripète dans la deuxième loi de Newton :

Accélération centripète :

Où v est la vitesse tangentielle et R est le rayon de courbure.

2e loi de Newton

Puisque la seule force qui agit sur la voiture est le frottement, il faut que celui-ci soit supérieur au produit de la masse avec l'accélération centripète.

Force centripète en vélo
Dans la vidéo suivante, un vélo effectue un virage à l'horizontal qui semble défier la gravité.

https://www.youtube.com/watch?v=jOlVJv7jAHg

Afin de réussir une telle prouesse, il faut que le poids qui est une force verticale soit annulé par une autre force afin d'empêcher le vélo de tomber vers le bas. Dans ce cas, c'est le frottement entre les roues et la surface d'appui des roues qui prévient le vélo de tomber. Ce frottement dépend de la normale entre les roue et la surface. C'est la normale qui agit comme force centriète ; force qui pointe vers le centre de rotation. Il faut donc une force normale suffisante pour créer un frottement suffisant. Et pour avoir une force normale suffisante, il faut une vitesse suffisante.

Force normale :

Frottement requis :

Force centripète en moto
Le 17 août 2014, Marc Marquez a inscrit un nouveau record dans le Livre Guinness des records en inclinant sa moto à 68 degrés. 

Le Figaro : http://sport24.lefigaro.fr/le-scan-sport/buzz/2014/08/21/27002-20140821ARTFIG00142-il-incline-sa-moto-gp-a-68-degres-nouveau-record-du-monde.php

Cet exploit est possible grâce à l'accélération centripète. En effet, si la moto n'effectue pas de virage, lorsque le centre de masse combiné de la moto avec le motard est trop désaligné du point d'appui des roues avec le sol, le bras de levier du moment de force créé par son poids devient trop grand et la moto se renverse. Lorsque la moto effectue un virage, une accélération centripète vers le centre de courbure est présente et elle est produite par le frottement horizontal entre les roues et la route. Cette force de frottement est également dirigée vers le centre de rotation (c'est la force centripète qui crée l'accélération centripète) et crée un moment de force qui s'oppose à celui créé par le poids combiné de la moto et du motard. Tant que le moment de force créé par le frottement statique (pas de dérapage) est suffisant, la moto reste en équilibre de rotation et ne se renverse pas.

Force centripète dans le rotor de la mort

https://www.youtube.com/watch?v=hZOekFFSoWI