Mécanique

Vitesse terminale

Observez la vitesse se stabiliser bien avant l'atterrissage, et l'accélération (a) tendre vers 0 quand la résistance de l'air rattrape la gravité.

Vitesse terminale — simulation interactive de Mécanique. Observez la vitesse se stabiliser bien avant l'atterrissage, et l'accélération (a) tendre vers 0 quand la résistance de l'air rattrape la gravité. Laboratoire virtuel de physique gratuit dans le navigateur, avec mesures SI en direct et tutoriel guidé.

Vitesse limite

Lorsqu'un objet en chute accélère, la traînée de l'air augmente jusqu'à équilibrer le poids. L'accélération tombe alors à zéro et la vitesse se stabilise.

Avant la vitesse limite, le poids dépasse la traînée et l'objet accélère. Quand la vitesse augmente, la traînée croît jusqu'à une force résultante nulle. L'objet tombe alors à une vitesse limite quasi constante.

• Force nette F_net = mg − F_drag
• À vitesse terminale: a → 0

Mémoire d'enquête

Planifiez la question avant d'ouvrir le laboratoire

Le brief reprend la page pré-rendue  : question directrice, prédictions concurrentes, rôles des variables, lois directrices, préparation et consignes d’analyse et de prolongement restent visibles et dans cet ordre.

Question de conduite

Un parachutiste tombe dans les airs, qui repousse avec une force de traînée qui augmente avec la vitesse. Si le parachutiste ajuste la position de son corps pour augmenter cette traînée d'air, sa vitesse de chute constante (vitesse terminale) finit-elle par être plus élevée, plus basse ou la même qu'avec moins de traînée ?

Des pronostics à peser

• Plus de traînée d'air donne une vitesse terminale plus élevée
• La vitesse terminale est la même quelle que soit la traînée aérienne
• Plus de traînée d'air donne une vitesse terminale plus faible

Rôles variables

Ce que vous définissez  :

• Messe (kg)
• Traînée aérienne

Ce que vous mesurez  :

• Vitesse terminale (m/s)
• KE à la vitesse terminale (J)

Comment se déroule l'enquête

1. Ouvrez le préréglage Terminal Velocity. Un parachutiste (balle) démarre près du haut de la scène et tombe sous l'effet de la gravité tandis que la traînée de l'air agit sur lui.
2. Confirmez que la sonde de vitesse est fixée au parachutiste, puis vérifiez sa masse et la valeur de la traînée d'air (frictionAir) dans le panneau Inspecteur.
3. Pour chaque ligne ci-dessous, réglez la masse et la traînée d'air du parachutiste dans l'inspecteur, exécutez la simulation jusqu'à ce que la vitesse de la sonde cesse de changer (elle s'approchera d'une valeur stable avant que le parachutiste n'atteigne le sol) et enregistrez cette vitesse constante.

Équation gouvernante

Deuxième loi de Newton à l'équilibre — F = m·a

La force nette est égale à la masse multipliée par l'accélération. À mesure que le parachutiste accélère, la force de traînée vers le haut augmente jusqu'à équilibrer exactement l'attraction vers le bas de la gravité  : la force nette (et donc l'accélération) tombe à zéro et la vitesse cesse de changer. Cette vitesse constante est la vitesse terminale que vous avez mesurée.

Énergie cinétique — KE = ½·m·v²

L'énergie cinétique est égale à la moitié de la masse multipliée par la vitesse au carré. Une fois que le parachutiste atteint la vitesse terminale, il s’agit de l’énergie cinétique qu’il transporte pour le reste de la chute – une énergie que la résistance de l’air élimine continuellement sous forme de chaleur, maintenant la vitesse constante.

Ce que la feuille de travail imprimable demande aux élèves de résoudre

• Pour chaque ligne, multiplie la vitesse limite mesurée par la valeur de traînée, puis par 60. Tu devrais approcher 9.8 × (1 − traînée), et non 9.8 exactement. Pourquoi ? La simulation applique la traînée une fois par image plutôt qu'en continu, ce qui coûte exactement un facteur (1 − traînée). Que t'apprend malgré tout cet équilibre sur les forces une fois que le parachutiste cesse d'accélérer ?
• Chaque ligne utilise la même masse. La masse apparaît-elle quelque part dans la relation que vous avez trouvée à la question précédente ? D'après vos données, un parachutiste plus lourd atteint-il une vitesse terminale différente de celle d'un parachutiste plus léger dans cette simulation ?

Où cela apparaît au-delà du laboratoire

• La résistance réelle de l'air augmente avec le carré de la vitesse, et non directement avec la vitesse, et sa force dépend de la section transversale et de la masse de l'objet. Prédisez comment la vitesse terminale d'un vrai parachutiste changerait entre une position d'aigle écarté ventre vers le bas et une plongée pieds vers le bas - et pourquoi la masse est importante pour un vrai parachutiste même si cela ne figure pas dans vos données ci-dessus.
• Un parachutiste ouvre un parachute, ce qui augmente considérablement sa traînée aérienne. En utilisant la relation que vous avez trouvée, prédisez ce qui arrive à leur vitesse de chute juste après l'ouverture de la verrière et expliquez pourquoi ils ne sautent pas instantanément à la nouvelle vitesse terminale.

• AP Physics 1 — Unit 2: Force and Translational Dynamics
• AP Physics C: Mechanics — Unit 2: Force and Translational Dynamics
• IB Physics — A.2 Forces and momentum
• General High School Physics — Forces & Newton's laws
• NGSS High School Physics — Forces and Newton's second law

1. Bienvenue à la vitesse limite
2. Sélectionnez le parachutiste
3. Appuyez sur Lecture
4. La vitesse se stabilise
5. Ouvrez les données
6. Bravo !

Ouvrez la simulation interactive pour construire la scène, appuyez sur Lecture et explorez avec des mesures en direct et un tutoriel guidé.

Ouvrir le laboratoire interactif →

Télécharger la fiche de laboratoire →

Deuxième loi de Newton