Pour aider Tom à comprendre pourquoi le ballon est tombé et comment il a rebondi et s'est arrêté, nous examinons les influences autour de Suzie et du ballon. Pour simplifier, nous pouvons regrouper Suzie, Tom, un terrain de basket, un ballon et le sol, et appeler ce groupe un "système".
Définition des systèmes dynamiques
Pour comprendre le concept fondamental des systèmes, il faut d'abord savoir ce qu'est un système. Lorsque l'on étudie quelque chose en physique, on veut considérer exactement les choses pertinentes pour ce que l'on étudie et ignorer tout le reste. Les choses que nous incluons dans ce que nous étudions sont appelées notre système. En termes simples,
Un système est un objet ou une collection d'objets.
Nous traitons les objets de notre système comme s'ils n'avaient pas de structure interne. La structure interne des objets ne doit avoir aucune incidence sur la solution finale du problème et peut être ignorée. Tout ce qui ne fait pas partie de notre système est considéré comme l'environnement.
Un système peut être une personne et une automobile, une personne et un skateboard, ou même une salle de classe avec des bureaux et des chaises. Pour calculer l'accélération d'un système, on peut utiliser la deuxième loi du mouvement de Newton. Les propriétés et les interactions de leurs sous-structures déterminent les propriétés des systèmes. Lorsque les parties individuelles ne sont pas importantes pour modéliser le comportement du système, le système lui-même peut être qualifié d'objet. Selon la première loi du mouvement de Newton, seules les forces extérieures affectent le mouvement d'un système. En effet, la loi stipule qu'un objet au repos tend à rester au repos, et qu'un objet en mouvement tend à rester en mouvement. Puisque nous avons cette distinction, il faut définir les limites d'un système avant de pouvoir comprendre quelles sont les forces qui affectent son mouvement.
Pour tous les systèmes et toutes les circonstances, l'énergie, la charge, le moment linéaire et le moment angulaire sont conservés, sauf pour un système isolé ou fermé, où les quantités conservées sont constantes. Nous appelons "interaction" une force causée par d'autres objets extérieurs au système, ou le transfert d'une certaine quantité entre le système et son environnement. Lorsque tu résous un problème, tu considères la situation et tu prends ta propre décision concernant la frontière entre un système et son environnement. La principale caractéristique d'un système dynamique est une fonction qui décrit les états futurs qui découlent de l'état actuel.
N'oublie pas qu'un ensemble de particules dont les interactions internes changent peu ou pas du tout, ou dont les changements dans ces interactions ne sont pas pertinents pour la question ou le problème à résoudre, peut être traité comme un objet.
Certaines particules élémentaires sont des particules fondamentales (par exemple, les électrons). Les protons et les neutrons sont composés de particules fondamentales et peuvent être traités comme des systèmes ou des objets, en fonction de la question posée dans le problème à résoudre.
Les charges électriques des neutrons et des protons résultent de la composition des quarks.
Quels sont les types de systèmes de base ?
Il existe trois types de systèmes de base : Les systèmes ouverts, fermés et isolés. Nous examinerons ci-dessous quelques-unes des propriétés de chacun d'entre eux et la façon dont ils sont liés les uns aux autres.
Nous commençons notre discussion par les systèmes ouverts
Un système ouvert est un système physique où la matière et l'énergie peuvent entrer ou sortir du système. Les forces extérieures au système ne sont pas équilibrées.
Considère le diagramme suivant d'un ballon chauffé. Si notre système est le bécher, l'énergie est ajoutée au système sous forme de chaleur et la matière en sort sous forme de vapeur d'eau.
Modèle d'un système ouvert Wikicommons Public Domain
Les systèmes fermés sont plus restreints que les systèmes ouverts. L'énergie peut toujours entrer ou sortir du système, mais nous ajoutons maintenant la restriction que la matière ne peut pas le faire.
Un système fermé est un système physique dans lequel aucune matière ne peut entrer ou sortir. De plus, les forces externes doivent s'équilibrer.
Un exemple de système fermé Wikicommons, Public Domain.
Note que dans un système fermé, tu peux avoir des forces externes, nous exigeons simplement que la force nette sur notre système soit nulle.
Astuce : Un système fermé désigne un système qui ne perd pas de masse, d'énergie, de charge, etc. et dont les quantités conservées sont donc considérées comme constantes. En revanche, un système ouvert fait référence à des échanges d'énergie, de charge, etc., avec le ou les objets environnants, puisque les quantités indiquées précédemment peuvent augmenter ou diminuer sans être remplacées.
Enfin, nous arrivons à notre type de système le plus restreint. Les systèmes isolés, où, tu l'auras deviné, nous ajoutons une restriction supplémentaire selon laquelle la matière et l'énergie ne peuvent ni entrer ni sortir du système. En pratique, nous ne pouvons pas avoir un système qui n'échange aucune énergie avec son environnement, mais c'est tout de même un outil utile pour modéliser certains systèmes.
Un système isolé est un type de système fermé dans lequel ni la matière ni l'énergie ne peuvent entrer ou sortir du système.
Exemple de système isolé Wikicommons Public Domain
Un système isolé n'interagit pas avec son environnement. Son énergie et sa masse totales restent constantes.
Exemples concrets de systèmes
Propriétés des systèmes ouverts, fermés et isolés Wikicommons
Exemples d'études sur les systèmesSmarter Originals
Systèmes dynamiques
Voyons maintenant ce que sont les systèmes dynamiques.
Un système dynamique désigne le mouvement de systèmes sous l'influence de forces.
Exemples de systèmes dynamiques
Un système dynamique est un système où le mouvement se produit, par opposition à des conditions statiques sans mouvement. Les systèmes dynamiques sont constamment en mouvement ou doivent changer d'état pour être utiles.
Les exemples de systèmes dynamiques comprennent :
- Automobiles
- Ordinateurs
- Un pendule oscillant
- Mouvements des corps célestes
Pour faire une prédiction sur le comportement futur d'un système, on procède à une résolution analytique des équations ou à leur intégration dans le temps par le biais d'une simulation informatique. L'étude des systèmes dynamiques est au cœur de la théorie des systèmes dynamiques, qui a des applications dans un grand nombre de domaines (mathématiques, physique, biologie, chimie, ingénierie, histoire et médecine). Les systèmes dynamiques sont un élément fondamental de la théorie du chaos, de la dynamique des cartes logistiques et du concept de la limite du chaos (pour n'en citer que quelques-uns). (pour n'en citer que quelques-uns).
Les systèmes dynamiques sont des systèmes qui impliquent des changements.
Système d'équilibre dynamique
L'équilibre dynamique dans un processus réversible se produit lorsque les processus avant et arrière se déroulent exactement au même rythme. L'équilibre dynamique se produit donc lorsque toutes les forces agissant sur un objet sont équilibrées.
Il y a trois conditions pour atteindre l'équilibre. Premièrement, la force extérieure nette du système doit être nulle. Deuxièmement, la somme de tous les couples externes doit être nulle. Enfin, on peut dire que l'objet est en équilibre lorsque les deux conditions sont remplies simultanément. Si l'une d'entre elles n'est pas satisfaite, l'objet n'est pas en équilibre.
- L'équation est la suivante :
- Statique signifie immobile ou stationnaire.
- Dynamique signifie énergique
Le système doit maintenir une vitesse angulaire constante et éviter une rotation accélérée pour atteindre l'équilibre.
L'équilibre dynamique est l'état d'un système donné dans lequel il n'y a pas de changement net.
- L'équilibre statique : se produit lorsque la force nette sur un objet/système immobile est égale à 0.
- L'équilibre dynamique : se produit lorsque la force nette sur un objet/système en mouvement est de 0 (pas d'accélération cependant, la vitesse doit être constante).
- Si l'objet n'est pas en mouvement ou s'il se déplace à une vitesse constante, toutes les forces sont équilibrées.
Exemples d'équilibre dynamique
Examinons la différence entre l'équilibre statique et l'équilibre dynamique.
L'équilibre statique désigne un état dans lequel la réaction qui se produit dans un système est complètement arrêtée et où il n'y a aucun mouvement entre les réactifs et les produits correspondant à la réaction chimique.
Si les forces agissant sur un objet s'annulent, en plus de la constance du contenu et de la composition, aucun mouvement de l'objet n'a lieu. Il s'agit de l'équilibre statique.
Principales différences - Équilibre statique et dynamique
Tableau de l'équilibre statique et dynamique StudySmarter Originals
La force résultante agissant sur ces deux types d'équilibre dans un système est nulle. En général, aucun de ces types d'équilibre ne présente de changements visibles.
Maintenant que nous pouvons faire la différence entre l'équilibre dynamique et l'équilibre statique, voici des exemples d'équilibre dynamique.
Ventilateur rotatif
Ventilateur rotatif Wikicommons
Un ventilateur tournant à vitesse constante est l'un des excellents exemples d'équilibre dynamique.
Lorsque le ventilateur tourne à vitesse constante, l'accélération angulaire et le couple agissant sur le ventilateur sont annulés, donc équilibrés par l'équilibre dynamique.
Gouttes de pluie
Gouttes de pluie, Pixabay
La goutte de pluie atteint la Terre depuis le nuage à une certaine vitesse. La vitesse de la goutte de pluie augmente pendant sa chute vers la Terre en raison de l'accélération due à la gravité.
Chaque goutte de pluie se déplace à la même vitesse. En raison de la résistance de l'air et des frottements, la goutte de pluie cesse d'accélérer une fois qu'elle a atteint sa vitesse terminale.
Systèmes dynamiques discrets
Enfin, nous considérons un type spécifique de système dynamique. Dans les systèmes dynamiques discrets, nous considérons le système par instantanés dans le temps. Formellement, nous disons :
Un système dynamique discret est un système dynamique dont l'état évolue par étapes discrètes.
Il peut s'agir d'étapes naturelles où les choses changent à des moments précis. Le gouvernement des États-Unis en est un exemple. C'est un système qui évolue dans le temps, mais qui ne change pas de façon régulière. Il y a des points spécifiques dans le temps où des changements se produisent. Dans cet exemple, ces moments sont les élections. Nous pouvons également créer artificiellement des étapes discrètes. Prends l'exemple d'un recensement. Les données sur la population sont mises à jour tous les dix ans. Il s'agit d'étapes discrètes, et nous pouvons faire des prédictions et des modèles basés sur ces données, mais l'évolution réelle de la population est bien plus continue, avec des personnes qui meurent et naissent tous les jours.
Systèmes dynamiques - Points clés à retenir
Un système est un objet ou un ensemble d'objets sans structure interne.
Il existe trois types de systèmes de base : Ouvert, Fermé et Isolé.
L'équilibre statique se réfère à une condition dans laquelle la stabilité est atteinte.
L'équilibre dynamique ne se produit que dans les réactions réversibles.
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