Choc mécanique - Définition

Introduction

Un choc mécanique intervient lorsque dans un système mécanique une force, une position, une vitesse ou une accélération est brusquement modifiée.

Quand il s'agit de deux objets solides, on préfère parler de percussion mécanique.

Ici, il sera traité de choc entre particules classiques. Sinon voir choc relativiste: la réaction d'instabilité du neutron { n → p ⁺ + e ⁻ + ν }(Fermi, 1930) est incompréhensible en mécanique classique.

Le niveau initial sera élémentaire (correspondant à 15-16 ans)

choc élastique sur une droite

Soient deux points matériels M1 et M2, de masse m1 et m2 (on pose M := m1+m2), de vitesse V1 et V2 avant le choc.

Problème : déterminer leur vitesse, W1 et W2 après le choc.

Ainsi se posait le problème, au tout début de la mécanique. Descartes avait proposé (1644) une solution fausse, que Huygens corrigea (vers 1652); mais sera donnée ici sa version de 1669.

Comme Descartes le suggère en toutes choses, il faut commencer par le SIMPLE : ici m1 = m2 = m . Par simple raison d'homogénéité, la masse s'efface et laisse à résoudre un simple problème de cinématique.

Expérience princeps (dite symétrique)

Soit l'expérience dite (S) pour Symétrique :

État Initial { v1 = u et v2 = - u}.

Le point milieu O reste immobile et l'évidence indique par raison de symétrie qu'il le restera. D'où:

État Final {w1= -x et w2 = x}.

La symétrie temporelle t/-t implique alors x = u, sinon on pourrait indéfiniment augmenter l'énergie des 2 particules par itération.

      donc (S): E.I.{u;-u} ⇒ E.F.{-u;u}      

Malgré la part d'arbitraire dans ces affirmations, tout le monde agrée, vu que l'expérience confirme. Cette analyse sera basique. Huygens part de là en 1652 ( il a 23ans et déjà une grande notoriété en mathématique et logique.

le Principe de Relativité

Entre en jeu la révolution conceptuelle de Galilée (2^e et 6^e journée du Dialogo) : le mouvement uniforme de vitesse V est "comme rien": c’est-à-dire que si on refait l'expérience dans un bateau (le bateau de Huygens diront plus tard les Anglais MacLaurin et Taylor), on doit obtenir les mêmes résultats. Traduisons cela en formules :

Si on connaît UNE expérience de choc, disons (E) :{v1;v2}⇒ {w1= f(v1,v2); w2 = g(v1,v2)}, alors :

pour tout V ,

      {v1+V ; v2+V} ⇒ { w1+V = f( v1+V, v2+V); w2+V = g( v1+V, v2+V) }      

Ainsi, dit Huygens, on obtient la réponse pour toute la classe des expériences déduites de (E), soit C[(E)] cette classe.

Déduction

Or, on connaît (S) ; donc on connaît C[(S)]. Mais on peut exprimer aisément v1 et v2 à l'aide de u et V ; et donc tous les cas seront résolus ; sitôt dit, sitôt fait :

      {u+V ; -u+V} ⇒ {-u+V ; u+V}  soit {w1 = v2 et w2 = v1}      

C'est la fameuse loi d'échange des vitesses. En particulier, dit Huygens triomphal: cela explique le cas de la pétanque, le "carreau" : {u;0} ⇒ {0;u}

Histoire des sciences

En 1654, Huygens a vraisemblablement terminé ce travail (allégé ici par les notations algébriques qui n'existent pas à l'époque). Il dit qu'il a trouvé en 1656. Mais il ne publie pas : c'est la règle à l'époque ; publier c'est périr, car immanquablement l'autre vous rattrape et vous double.

Après consécration pour d'autres travaux mathématiques, il est la Vedette des salons en décembre 1660 à Paris, en janvier à Londres; car il est capable de répondre à n'importe quel choc frontal de boules ( on opérait alors avec des boules à suspension bifilaire, comme on en voit dans certains magasins de gadgets).

Mais il sait qu'il n'a pas fini :

• il va découvrir comme une loi "admirable" que lors du choc, RIEN NE SE PASSE pour un certain Point G, dit centre de masse : il reste imperturbablement à vitesse constante : preuve qu'il n'a pas compris que P = M V_G.
• il ne sait toujours rien de la force-percussion. Il sait seulement que ΔP₁ = − ΔP₂ : il faudra attendre Newton pour aller plus loin.
• Il retrouve avec satisfaction que l'énergie cinétique ( de Torricelli) se conserve. Mais il est perdu quand les chocs sont inélastiques: doit-on conserver P ou l'énergie ?

Évidemment, les chocs non frontaux sont hors de portée, les vecteurs ne sont pas vraiment créés.