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Fig. 1 - Un slinky est un excellent exemple de ressort.
Ressorts - Définition et signification
Les ressorts sont élastiques et peuvent emmagasiner de l'énergie.
Lesressorts sont des objets qui produisent une force de rappel lorsqu'ils sont étirés ou comprimés par une force appliquée et qui reprennent leur forme naturelle une fois la force appliquée supprimée.
Propriétés des ressorts en physique
En physique, les ressorts ont les propriétés de base suivantes :
- Ils sont élastiques, c'est-à-dire qu'ils reprennent leur forme initiale après avoir été déformés par une force.
- Ils emmagasinent de l'énergie potentielle.
- La force exercée par le ressort augmente en fonction de la distance à laquelle il est étiré/compressé.
Types de ressorts
Le ressort le plus courant, surtout dans les problèmes de physique, est un simple ressort métallique à boudin. C'est ce qui te vient probablement à l'esprit quand tu penses au mot ressort, comme les slinkies ou les ressorts des stylos. Cependant, il existe de nombreux types de ressorts différents. Tout ce qui possède les propriétés que nous avons mentionnées ci-dessus compte techniquement comme un ressort. Par exemple, si tu tiens une règle en plastique sur le bout de ton bureau, que tu la plies vers le bas et que tu la relâches, elle fera un mouvement de va-et-vient jusqu'à ce qu'elle redevienne droite. La règle agit donc comme un ressort.
Même au sein des ressorts hélicoïdaux, il existe différents types pour différentes applications. Les deux types de ressorts hélicoïdaux les plus courants sont les ressorts de compression et les ressorts de traction. Les ressorts de compression sont conçus de manière à avoir le plus d'énergie potentielle lorsqu'ils sont comprimés, et ils ont de l'espace pour être comprimés, comme le ressort d'un bâton de pogo. Les ressorts d'extension ont le plus d'énergie potentielle lorsqu'ils sont étendus et n'ont généralement pas beaucoup d'espace pour la compression, comme les ressorts d'un trampoline. Il existe également des ressorts de torsion qui sont utilisés en rotation, comme le ressort d'une souricière.
Même si les ressorts sont de formes et de tailles différentes, ils ont tous des caractéristiques similaires et exercent le même type de force.
La force des ressorts
Définissons et discutons de la force des ressorts.
La force du ressort est la poussée ou la traction d'un ressort lorsqu'il est comprimé ou étendu.
Si tu écrases un ressort entre tes doigts, tu peux sentir qu'il se défend contre la force que tu lui appliques ; c'est la force du ressort. La force du ressort agit dans la direction opposée à la compression ou à l'extension du ressort.
Si tu écrases un ressort, la force du ressort pousse vers l'extérieur, et si tu relâches ta force soudainement, la force du ressort peut catapulter le ressort à l'autre bout de la pièce. Si tu étires un ressort entre tes mains, la force du ressort qui en résulte est dirigée vers l'intérieur, et si tu relâches le ressort d'une main, la force du ressort peut faire en sorte que le ressort se referme contre ton autre main.
La force du ressort est parfois appelée force de rappel parce qu'elle veut revenir à sa position initiale.
Équation de la force du ressort - Loi de Hooke
L'équation de la force du ressort est connue sous le nom de loi de Hooke:
$$F_\mathrm{s}=-kx$$.
La variable \( k \) représente la constante du ressort, qui dépend de la rigidité du ressort. Plus le ressort est rigide, plus la constante du ressort est grande, plus la force du ressort est importante. La constante du ressort dépend des propriétés du matériau du ressort, de l'épaisseur du ressort et - pour les ressorts hélicoïdaux - du nombre de spires. Son unité est \( \mathrm{\frac{N}{m}} \).
La variable \( x \r}) représente la distance à laquelle le ressort a été comprimé ou allongé. Plus la distance est grande, plus la force du ressort est importante. Comme la constante du ressort est toujours la même pour un seul ressort, les ressorts s'étendent ou se compriment linéairement en fonction de la force qui leur est appliquée.
Le négatif dans l'équation nous indique que la force du ressort agit dans la direction opposée au déplacement du ressort. L'équation de la force du ressort peut également se présenter comme suit :
$$\left| F_\mathrm{s} \right |=-k\left | x \right |$$$.
Les valeurs absolues indiquent simplement que l'ampleur de la force augmente avec l'ampleur de la distance. La loi de Hooke s'applique à tous les ressorts tant qu'ils ne sont pas étirés au-delà de leur zone élastique (si tu étires un ressort au point qu'il ne retrouve pas sa forme initiale, l'équation n'est pas aussi exacte).
La force du ressort est causée par les forces électriques interatomiques
La force du ressort est une force de contact (parce que quelque chose doit entrer en contact avec le ressort pour qu'il y ait une force), et toutes les forces de contact sont causées par des forces électriques interatomiques. Au microscope, les ressorts sont constitués de nombreux atomes et molécules liés entre eux.Lesatomes d'un ressort préfèrent rester dans leur état naturel. Lorsque le ressort est comprimé, les forces électriques interatomiques poussent vers l'extérieur, et lorsque le ressort est étiré, les forces électriques tirent vers l'arrière pour maintenir les atomes et leurs liaisons à la bonne distance.
Exemples de force du ressort - Masse sans mouvement
Pour examiner des exemples utilisant la force du ressort, nous utiliserons une masse attachée à un ressort à boudin ordinaire.
Masse sur un ressort fixé à un mur
Prenons tout d'abord l'exemple d'un bloc sur un ressort qui se déplace horizontalement.
Un ressort est fixé à un mur d'un côté et attaché à un bloc de l'autre le long d'une surface sans frottement, comme dans l'image de gauche ci-dessous. Le bloc se déplace de 0,12 mm lorsqu'il est poussé avec une force de 5,0 mm vers la gauche. Quelle est la constante du ressort ? Jusqu'où se déplacera-t-il avec une force de 10,0 \Nmathrm{N} \Nmathrm{N} \Nmathrm{N}) ?
Fig. 2 - Ressort attaché entre un mur et un bloc avec un diagramme de corps libre associé
En regardant le diagramme des corps libres dans la figure de droite ci-dessus, nous pouvons voir que dans la direction x, les seules forces sont la force appliquée et la force du ressort. Comme le bloc n'accélère pas, ces forces sont égales entre elles, et la force du ressort est donc également \N ( 5,0\N,\Nmathrm{N} \N), mais vers la droite. Nous pouvons alors utiliser la loi de Hooke :
$$F_\mathrm{s}=-kx$$.
Nous pouvons substituer nos valeurs. Nous utilisons une distance négative puisque le bloc s'est déplacé vers la gauche, que nous avons choisie comme direction négative :$$5.0\,\mathrm{N}=-k(-0.12\,\mathrm{m})$$
Solve pour k:$$k=42\,\mathrm{\frac{N}{m}}$$
C'est notre réponse pour la constante du ressort. Nous pouvons alors utiliser notre \N( k \N) dans notre nouvelle équation avec la \N( 10\N,\Nmathrm{N} \Nforce) :$$10\,\mathrm{N}=(-42\,\mathrm{\frac{N}{m}})x$$
Solve for \(x\) :$$x=-0.24\,\mathrm{m}$$
Encore une fois, la distance est négative parce que le bloc s'est déplacé dans la direction négative. Tu peux remarquer que cette distance est exactement le double de la première distance, tout comme la force était le double de la force initiale. C'est parce que la force du ressort et la distance ont une relation linéaire. Si on ne nous avait pas demandé de trouver la constante du ressort, nous aurions pu sauter cette étape et établir un rapport pour résoudre la deuxième distance à la place. Tu peux choisir la méthode qui te convient le mieux.Masse suspendue à un ressort
Que se passe-t-il lorsque la masse est plutôt suspendue verticalement ?
Une masse est suspendue à un ressort vertical, comme le montre la figure de gauche ci-dessous. Jusqu'où le ressort s'est-il allongé par rapport à son état naturel ?
Fig. 3 - Masse suspendue à un ressort vertical et diagramme de corps libre associé.
$$F_\mathrm{s}=mg$$
Nous pouvons écrire notre équation de la loi de Hooke :$$F_\mathrm{s}=-kx$$.
En substituant la force du ressort et en résolvant pour x :$$x=\frac{mg}{-k}$$.
La distance à laquelle le ressort s'est étiré par rapport à son état naturel est égale au poids du bloc divisé par la constante du ressort. Ce nombre sera également négatif puisqu'il s'est étiré dans la direction descendante, que nous avons définie comme négative.
Nous pouvons également analyser le mouvement d'une masse sur un ressort, qui suit les règles du mouvement harmonique simple. Le ressort, lorsqu'il est étiré avec une force puis relâché, se comprime et s'étire d'avant en arrière - en se corrigeant lui-même - jusqu'à ce qu'il atteigne son état naturel. Pour des informations plus approfondies sur ce sujet, consulte notre article sur les systèmes de masse-ressort.
Ressorts - Points clés
- Les ressorts sont des objets élastiques qui emmagasinent de l'énergie. Ils reprennent leur forme naturelle après avoir été comprimés ou allongés par une force.
- La force du ressort est une force de rappel qui essaie de pousser ou de tirer le ressort vers sa forme naturelle lorsqu'une force extérieure est appliquée.
- La force du ressort augmente de façon linéaire en fonction de la distance à laquelle le ressort est comprimé ou allongé, ce qui est représenté par la loi de Hooke : \( F_\mathrm{s}=-kx \).
- Les forces électriques interatomiques à l'intérieur du ressort n'aiment pas être étendues ou comprimées à partir de leur position naturelle, et se battent donc contre tout ce qui les y oblige. Ces forces minuscules constituent la force du ressort.
Références
- Fig. 1 - (https://www.pexels.com/photo/wave-construction-industry-pattern-7123048/) par Tara Winstead (https://www.pexels.com/@tara-winstead/) domaine public
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