Moon Drop : la masse modifie-t-elle la vitesse de chute libre ?
1 · Prédire
Sur la Lune, une boule 1 kg et une boule 6 kg sont larguées ensemble depuis la même hauteur, dans le vide sans résistance de l'air. Lequel accélère le plus vite en tombant ?
- La balle la plus lourde (6 kg) accélère plus rapidement
- Les deux balles accélèrent exactement au même rythme
- La balle plus légère (1 kg) accélère plus rapidement
2 · Configurer
- Ouvrez le préréglage Moon Drop. Notez les deux boules : une légère (1 kg) et une lourde (6 kg), lâchées ensemble sous la gravité de la Lune (g = 1.6 m/s²).
- Sélectionnez chaque balle tour à tour et définissez sa masse dans le panneau des propriétés pour qu'elle corresponde à la colonne Masse du tableau de données ci-dessous avant chaque exécution.
- Relâchez les deux balles, mettez la simulation en pause au temps écoulé indiqué dans la colonne Temps et lisez la vitesse descendante (vy) de la balle à partir de la sonde.
3 · Collecter les Données
| Masse (m) (kg) | Temps écoulé (t) (s) | Vitesse (vy) (m/s) | Élan (p) (kg·m/s) |
|---|---|---|---|
| 1.00 | 1.00 | ||
| 6.00 | 1.00 | ||
| 6.00 | 2.00 |
Tracez vy (axe y) par rapport à la masse (axe x) à l'aide des lignes 1 et 2. Tracez ensuite le parcours dans le temps en utilisant les lignes 2 et 3. Quelle est la forme de chaque graphique et que vous dit-il sur la chute libre sur la Lune ?
4 · Analyser
- À l'aide de vos valeurs relevées de vy et de masse, calculez la quantité de mouvement p = mv pour chaque ligne. Montrez votre démarche.
- Comparez les lignes 1 et 2 (même heure, masse différente) et les lignes 2 et 3 (même masse, heure différente). Que vous apprend chaque comparaison sur la façon dont la vitesse dépend de la masse par rapport au temps ?
5 · Approfondir
- Expliquez, en utilisant F = ma et poids = mg, pourquoi une boule plus lourde ne tombe pas plus vite sur la Lune, même si la gravité la tire avec plus de force.
- Si cette même expérience était réalisée sur Terre en laissant tomber une plume et une boule de bowling dans les airs, votre tableau de données serait-il le même ? Pourquoi ou pourquoi pas ?
La physique derrière cette expérience
Élan
La quantité de mouvement p = mv combine la masse et la vitesse d'un objet en une seule quantité : même si les balles légères et lourdes partagent la même vitesse de chute à un moment donné, la balle la plus lourde transporte beaucoup plus de quantité de mouvement.
Énergie cinétique
KE = ½mv² croît avec le carré de la vitesse et directement avec la masse — donc deux balles frappant le sol à la même vitesse transportent toujours des quantités d'énergie cinétique très différentes si leurs masses diffèrent.