Expériences autour de la force centrifuge

La force centrifuge, nous l’avons tous ressentie lorsqu’on se trouve dans une voiture qui prend un virage à trop grande vitesse. Elle est également à l’origine de plusieurs manèges de foire. Mais savez-vous qu’elle peut aussi expliquer l’aplatissement de la Terre sur l’axe de ses pôles, et qu’un dispositif régulant la vitesse d’une machine repose sur son existence et a été utilisé pendant plus de 150 ans ? Regardez cette vidéo

Fiche d’accompagnement de l’expérience:

 

Matériel
  • un système d’entraînement par roue, manivelle et poulie permettant de mettre en rotation différents systèmes
  • un système constitué de deux rubans plats métalliques assemblés en forme de cercle, à 90° l’un de l’autre autour d’un axe de rotation
  • un régulateur à boules
  • une petite masse pouvant coulisser sur une tige horizontale, reliée par un fil et une poulie à une masse plus importante pouvant coulisser le long d’une tige verticale.
  • un petit anneau suspendu par un fil à un autre anneau plus grand.
Montage et réalisation

1) Prendre tout d’abord un système constitué de deux rubans plats métalliques assemblés en forme de cercle, à 90° l’un de l’autre autour d’un axe de rotation ; la partie inférieure des rubans est fixée sur cet axe, tandis que la partie supérieure peut coulisser librement.

Mettre en rotation ce système…
Constater que la partie supérieure coulisse vers le bas le long de l’axe, transformant l’aspect sphérique présenté par les lames en une sphère aplatie aux extrémités situées sur l’axe de rotation.

2) Mettre ensuite en rotation un régulateur à boules (ou régulateur de Watt) qui met en action des forces centrifuges situées sur deux masses (les deux boules) reliées à des tiges articulées.
Deux autres tiges sont fixées sur un collet et sur les tiges articulées des boules.
Constater que grâce à celles-ci, le collet peut s’élever ou s’abaisser le long de l’axe en fonction de la vitesse de rotation du régulateur.

3) Placer maintenant sur le plateau un système constitué d’une petite masse pouvant coulisser sur une tige horizontale, reliée par un fil et une poulie à une masse plus importante pouvant coulisser le long d’une tige verticale.
Mettre ce système en rotation rapide.
Constater que pour une certaine vitesse de rotation la grosse masse se soulève.

4) Placer enfin sur le plateau un petit anneau suspendu par un fil à un autre anneau plus grand.
Mettre en rotation le grand anneau.
Constater que, dans un premier temps, le petit anneau tourne moins rapidement que le grand, tout en restant suspendu dans un plan vertical.
Constater que si la rotation du grand anneau est très rapide, le point de suspension du petit anneau, qui est légèrement hors axe, décrit un cercle autour de celui-ci et le petit anneau tourne alors dans un plan horizontal.

Explications

 

Lorsqu’on met ce système en rotation, la partie supérieure coulisse vers le bas le long de l’axe, transformant l’aspect sphérique présenté par les lames en une sphère aplatie aux extrémités situées sur l’axe de rotation.
Cet effet est dû à la force centrifuge s’appliquant aux lames métalliques, et il est d’autant plus important que la lame est située loin de l’axe de rotation.

Cette expérience permet de comprendre l’aplatissement de la Terre aux pôles nord et sud, dû à sa rotation journalière.

Lorsqu’on met en rotation un régulateur à boules (ou régulateur de Watt) des forces centrifuges agissent sur les deux masses (les deux boules) reliées à des tiges articulées.
Deux autres tiges sont fixées sur un collet et sur les tiges articulées des boules ; grâce à celles-ci, le collet peut s’élever ou s’abaisser le long de l’axe en fonction de la vitesse de rotation du régulateur.
Cette invention marque le début de l’automatique car il s’agit du premier système mécanique permettant de réguler la vitesse d’une machine en agissant sur la commande de celle-ci.
On trouve des régulateurs à boules dès 1800, sur des machines à vapeur puis sur des métiers à tisser.

On place maintenant sur le plateau un système constitué d’une petite masse pouvant coulisser sur une tige horizontale, reliée par un fil et une poulie à une masse plus importante pouvant coulisser le long d’une tige verticale.
Mettons ce système en rotation rapide.
Nous constatons que pour une certaine vitesse de rotation la grosse masse se soulève : en effet, la force centrifuge qui agit sur la petite masse oblige celle-ci à s’éloigner de l’axe de rotation ; le fil tire alors la grosse masse vers le haut, et peut la soulever dès que la vitesse de rotation est suffisante.

Plaçons enfin sur le plateau un petit anneau suspendu par un fil à un autre anneau plus grand.

Mettons en rotation le grand anneau.
Dans un premier temps, le petit anneau tourne moins rapidement que le grand, tout en restant suspendu dans un plan vertical.
Mais si la rotation du grand anneau est très rapide, le point de suspension du petit anneau, qui est légèrement hors axe, décrit un cercle autour de celui-ci et le petit anneau tourne alors dans un plan horizontal.

Remarques

Ces quelques expériences illustrent l’existence et l’importance des forces centrifuges associées à toute rotation.

 

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