La quantité de mouvement d'un corps est le produit de sa masse par sa vitesse, p = mv ; à une dimension, son signe fixe son sens de déplacement. Pendant le choc, les deux chariots n'agissent que l'un sur l'autre : leur quantité de mouvement totale reste donc la même après la collision qu'avant, quoi qu'il advienne de leur énergie cinétique.
Ce que signifie chaque symbole
p
- quantité de mouvement,
mv, en kg·m/s. L'axe étant orienté vers la droite, un chariot se déplaçant vers la gauche possède une quantité de mouvement négative.
u
- une vitesse avant le choc :
u₁ pour le chariot 1 à gauche, u₂ pour le chariot 2 à droite. La collision n'a lieu que si u₁ > u₂.
v
- une vitesse après le choc.
e
- le coefficient de restitution, soit le rapport entre la vitesse d'éloignement des chariots et leur vitesse d'approche. La valeur 1 restitue toute l'énergie cinétique du mouvement relatif ; 0 fait qu'ils restent collés.
J
- l'impulsion, c'est-à-dire la variation de quantité de mouvement d'un chariot, en N·s. Pour un contact durant
Δt, elle est égale à la force moyenne multipliée par Δt.
D’où vient la formule
- L'impulsion mesure la variation de quantité de mouvement. C'est la deuxième loi de Newton intégrée sur le contact : la force exercée multipliée par sa durée d'action correspond à la quantité de mouvement transmise.
J=∫Fdt=FˉΔt=m(v−u)=Δp
- La troisième loi de Newton rend les deux impulsions égales et opposées. Chaque chariot pousse l'autre avec une force identique à celle qu'il subit, pendant la même durée de contact : tout ce que gagne le chariot 2, le chariot 1 le perd.
m2(v2−u2)=−m1(v1−u1)⇒ m1u1+m2u2=m1v1+m2v2
- C'est une équation pour deux inconnues, et la restitution apporte la seconde. Elle compare la vitesse d'éloignement des chariots à leur vitesse d'approche, et constitue le seul endroit où intervient la nature du choc.
v2−v1=e(u1−u2)
- Résolvez le système. Ce sont précisément les formules qu'évalue le tableau de résultats.
v1=m1+m2(m1−em2)u1+m2(1+e)u2v2=m1+m2(m2−em1)u2+m1(1+e)u1
- L'énergie cinétique perdue ne dépend que de la vitesse relative. Elle est nulle pour e = 1 et maximale pour e = 0, lorsque les chariots s'agrègent ; deux masses données se percutant à la même vitesse relative perdront la même énergie, peu importe le mouvement d'ensemble de la paire.
ΔK=21m1+m2m1m2(1−e2)(u1−u2)2
- Suppose
- Les chariots se déplacent sur une même droite et n'ont de contact qu'entre eux lors de l'impact : les frottements et la piste n'apportent donc aucune impulsion pendant cette durée. La restitution se résume à une valeur unique pour le couple de matériaux, bien qu'en réalité elle diminue avec la violence du choc. Les parois de l'animation restent extérieures au système des deux chariots : le rebond contre un mur inverse le sens d'un chariot, ce qui modifie la quantité de mouvement totale sans toucher à l'énergie cinétique.