Matériel
- couteau tranchant
- pomme ou pomme de terre
- marteau
Consignes de sécurité
Il existe un risque de blessure lors de la manipulation du couteau tranchant et du marteau. Cette expérience n'est donc pas adaptée aux jeunes enfants. Si des enfants plus âgés souhaitent réaliser l’expérience, ils doivent le faire sous la surveillance d’un adulte !
Information: Aucun aliment n'a été gaspillé lors de cette expérience.
Déroulement
Enfonce la pointe du couteau dans la pomme ou la pomme de terre jusqu’à ce qu’elle reste adhérer au couteau. Tiens le couteau avec la pomme en l'air. Prends le marteau et tape fort sur le manche du couteau. Observe comment la pomme ou la pomme de terre glisse vers le haut à chaque coup.
Explication
Les mouvements qui se produisent lors de cette expérience (comme tous les mouvements d’objets ayant une masse) répondent à la loi d’inertie de Newton. Selon cette loi, un corps reste dans le même mouvement (ou à l'arrêt) tant qu'aucune force extérieure n'agit sur lui ou que la somme de toutes les forces est nulle.
Deux forces agissent sur la pomme :
- le poids de la pomme (force d’attraction de la terre) tire celle-ci vers le bas ;
- la force d’adhérence (= frottement sans mouvement relatif entre la pomme et le couteau) du couteau tire la pomme vers le haut.
Si la pomme adhère fermement au couteau, il y a un équilibre des forces.
Lorsque l’on tape sur le couteau, le marteau exerce une force énorme sur le couteau pendant un laps de temps très court. Le couteau se met en mouvement par à-coups. Son accélération vers le bas est énorme pendant ce court laps de temps. Pour suivre le couteau, la pomme devrait elle aussi subir cette accélération. Pour cela, une très grande force dirigée vers le bas devrait s’exercer sur la pomme. Une force suffisamment importante n’est toutefois pas disponible, si bien que la pomme reste en place pendant que le couteau glisse à travers la pomme !
Lors du coup de marteau, une force dirigée vers le bas agit bel et bien sur la pomme, constituée d'une part de son poids (comme auparavant) et d'autre part de la force de frottement de glissement du couteau. Contrairement à ce qui se passait auparavant, le couteau entraîne la pomme vers le bas. Mais cette force totale n’est pas suffisamment grande pour accélérer la pomme autant qu’il le faudrait pour qu’elle suive exactement le couteau. Elle accélère tout de même légèrement la pomme vers le bas. Si la pomme avait une masse beaucoup plus faible, elle serait aussi moins inerte et cette force suffirait à entraîner la pomme vers le bas lorsque le marteau vient frapper le manche du couteau.
Après le coup, l’accélération du couteau diminue jusqu’à être nulle, mais plus lentement qu’elle s’est produite. Il se produit même une faible accélération vers le haut, étant donné que le couteau est freiné par la main, et que la main se déplace à nouveau (presque imperceptiblement) vers le haut avec le couteau. La pomme suit sans problème ces accélérations plus faibles et plus lentes à partir du moment où il n'y a plus de mouvement relatif entre le couteau et la pomme. La force de frottement est à nouveau un frottement d’adhérence, d’abord un peu plus importante que le poids (début du mouvement vers le haut) puis un peu plus faible (fin du mouvement vers le haut). La pomme se déplace donc vers le haut avec le couteau.
À chaque coup, le couteau s'enfonce plus profondément dans la pomme - de l'extérieur, on a toutefois l'impression que la pomme remonte la lame.
Vie quotidienne
La loi d’inertie de Newton peut être observée partout dans la vie quotidienne. Intuitivement, on pourrait penser qu’un objet en mouvement finit par s’arrêter de lui-même. Par exemple, une balle cesse de rouler à un moment donné. Elle ne s’arrête toutefois pas d’elle-même, mais grâce à des forces externes, et plus précisément, grâce à la force de frottement qui se produit avec le sol et l'air. Le ballon est freiné dans son mouvement et s'arrête complètement à un moment donné. En l’absence de ces forces de frottement, la balle continuerait à rouler indéfiniment.
On peut aussi ressentir soi-même cette loi : si l’on est assis dans un bus qui freine brusquement, on tombe en avant si l’on ne se tient pas. Cela s’explique par le fait que le corps veut rester dans son mouvement initial, à savoir se déplacer vers l’avant. Lorsqu’on s’agrippe ou qu’on s’appuie contre un objet intégré dans le bus (force externe), ce mouvement est lui aussi freiné.
Auteure : Lucie Zeches (FNR)
Coauteur : André Mousset
Rédaction : Michèle Weber (FNR), Joseph Rodesch (FNR)
Traduction : Nadia Taouil – t9n
