Transcription de la vidéo
Une balle roule le long d’une trajectoire circulaire horizontale à l’intérieur d’un tuyau toroïdal creux, comme le montre la figure. Lequel des énoncés suivants fournit la force centripète sur le ballon ? (A) Tension dans le tuyau. (B) La force gravitationnelle sur la balle. (C) Frottement de la balle avec la surface du tuyau. (D) Force de réaction normale sur le ballon.
Ici, on nous demande d’identifier la force qui fournit la force centripète agissant sur la balle du diagramme. Tout d’abord, rappelons la définition de la force centripète. La force centripète 𝐹 d’un objet de masse 𝑚 qui se déplace uniformément avec la vitesse 𝑣 le long de la circonférence d’un cercle de rayon 𝑟 est donnée par 𝐹 est égal à 𝑚𝑣 au carré sur 𝑟, où le terme 𝑣 au carré sur 𝑟 est l’accélération centripète.
En commençant par la proposition (A), on peut observer que ce n’est pas une force de tension car ce n’est pas une force due à une corde ou un autre connecteur entre deux objets différents. Un exemple de cela qui produirait un mouvement circulaire est une corde qui relie une balle à un point, la forçant à se déplacer en cercle lorsqu’elle est en mouvement.
La proposition (B) suggère qu’elle est gravitationnelle, mais ce n’est pas non plus vrai. Il n’y a pas de masse au centre de la circonférence qui attire la masse de la balle, comme on s’y attend dans les systèmes orbitaux. La Terre et la Lune est un exemple de force gravitationnelle maintenant une orbite circulaire.
En regardant la proposition (C), on peut également exclure qu’il s’agit d’une force de frottement, car une force de frottement devrait être dans le sens opposé au mouvement de la balle. La friction s’oppose au mouvement. Elle ne peut pas maintenir une force centripète.
Cela nous laisse avec la proposition (D). Une force de réaction normale est une force de réaction normale à, ou en d’autres termes perpendiculaire à, une surface. La balle et la vélocité du tube à chaque point de contact dans le tube suggèrent qu’elle va sortir du cercle dans lequel elle se déplace, mais elle continue à se déplacer dans le tube. Le tube exerce une force égale et opposée à la force de la balle en contact constant avec elle.
La direction de la force normale serait donc normale au point de contact entre la balle et le tube, qui ressemblerait à ceci. Alors que la balle continue de se déplacer, la force de réaction normale sera toujours dirigée vers le centre du cercle, maintenant une force centripète. Par conséquent, on peut conclure que la bonne réponse est la réponse (D), une force de réaction normale sur la balle.
