Conservation de la quantité de mouvement

Conservation de la quantité de mouvement
Les collisions
Lors d'une collision entre deux particules, c'est la quantité de mouvement
totale du système qui est conservée. Ce principe, de la conservation de la
quantité de mouvement, découle directement de la troisième loi de Newton.
Dans les exemples qui suivent, nous appliquerons ce principe.
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Il est très important de comprendre que la quantité de mouvement d'une
particule est une grandeur vectorielle.
Premier cas (collision linéaire sur l'axe x)
Une masse m1 de 3 kg, ayant une vitesse de 5 m/s selon l'axe x, heurte une
masse m2 de 2 kg initialement immobile. Si la masse m2 possède, après la
collision, une vitesse de 4 m/s, quelle doit être la vitesse de la masse m1
suite à cette collision ?
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Le schéma d'une collision à une dimension
La collision étant à une dimension la quantité de mouvement totale ne
possède qu'une composante selon l'axe x.
m1v1x = m1v'1x + m2v'2x
(3)(5) = m1v'1x + (2)(4)
v'1x = 2,33 m/s
Le bilan énergétique de cette collision :
L'énergie cinétique totale avant la collision était de 37,5 J = ½ (m1 v12)
L'énergie cinétique totale après la collision : ½(3)(2,33)2 + ½(2)(4)2 =
8,17 + 16,0 = 24,2 J
Lors de cette collision, 35,5 % de l'énergie cinétique initiale est perdue.
Cette collision est inélastique. Deuxième cas (collision linéaire parfaitement inélastique sur l'axe x)
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Une collision est dite parfaitement inélastique lorsque les masses en
interaction restent liées l'une à l'autre à la suite de cette interaction.
C'est dans ce type de collision (ou interaction) que le système perd le
maximum d'énergie cinétique. Dans ce deuxième cas, les conditions initiales
sont les mêmes que dans le premier. Il faut donc appliquer le principe de
conservation de la quantité de mouvement totale du système pour trouver la
vitesse commune des deux masses après la collision.
m1v1x = (m1+ m2)v' = 15 (kg · m)/s
v' = 3,0 m/s
Le bilan énergétique de cette collision :
L'énergie cinétique totale avant la collision était de 37,5 J = ½ (m1 v12)
L'énergie cinétique totale après la collision : ½(3 + 2)(3,0)2 = 22,5 J
Lors de cette collision, 40 % de l'énergie cinétique initiale est perdue.
Cette collision étant parfaitement inélastique, ce pourcentage représente
le maximum que peut perdre ce système.
Troisième cas (collision à deux dimensions)
Dans ce troisième cas, les conditions initiales sont les mêmes que dans les
situations précédentes. Comme le centre de masse de m1 n'est pas sur l'axe
x, la collision ne sera pas linéaire. Il faut donc considérer les
composantes en x ainsi qu'en y de la quantité de mouvement de chacune des
deux masses après la collision.
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Si après la collision, la vitesse de m1 a un module de 4 m/s et que cette
vitesse est orientée à 20 degrés par rapport à l'axe x, quelle sera la
grandeur ainsi que l'orientation de la vitesse de la masse m2 après la
collision ?
La conservation de la quantité de mouvement totale :
selon x :
m1v1x = m1v'1x + m2v'2x = 15
m1v'1cos20o + m2v'2cos?2 = 15
m2v'2cos?2 = 15 - 11,3 = 3,72 (1)
selon y :
m1v'1y + m2v'2y = 0
m1v'1sin20o + m2v'2sin?2 = 0
m2v'2sin?2 = - 4,10 (2)
En divisant l'équation (2) par l'équation (1), on obtient que tan? = - 1,10
ce qui donne ?2 = - 47,8o (angle conventionnel mesuré sous l'axe x), le
module de la vitesse de m2 après la collision est donc de 2,77 m/s.
Le bilan énergétique de cette collision :
L'énergie cinétique totale avant la collision est toujours de 37,5 J = ½
(m1 v12)
L'énergie cinétique totale après la collision : ½(3)(4)2 + ½(2)(2,77)2 =
24,0 + 7,67 = 31,7 J
Lors de cette collision, 15,5 % de l'énergie cinétique initiale est perdue.
Cette collision est inélastique. Exercices (collision à deux dimensions) :
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Le schéma ci-haut donne l'orientation de chacune des vitesses avant et
après une collision se produisant entre deux masses, m1 = 3 kg et m2 = 2
kg.
(a) Si le module de la vitesse de la masse m1 est de 5 m/s avant la
collision, que celui de m2 est de 1,5 m/s, quelle est la vitesse de chacune
des masses après cette collision ?
(b) De quel type de collision s'agit-il ?
Réponses :
(a) v'1= 1,47 m/s et v'2 = 4,52 m/s (b) La collision est inélastique
car 40,4 % de l'énergie cinétique initiale est perdue.