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Petits défis de physique - Janvier 2008

vendredi 4 janvier 2008, par François Vandenbrouck
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Le défi du mois de janvier proposait de réfléchir à la notion de raideur d’un ressort.

Vous pouvez également consulter les autres défis.

Participez au petit défi du mois !


Ce défi est clos. La question était la suivante.

On considère un ressort à spires non jointives fonctionnant dans son domaine de linéarité. Il est caractérisé par une raideur k et une longueur à vide \ell_0. On coupe ce ressort en deux moitiés identiques. Quelle est la raideur de chacune des moitiés obtenues ?


Les résultats des votes sont les suivants :

PropositionPourcentage des votes
k/212%
2k27%
k55%
6%

La majorité des suffrages s’est reportée sur la réponse k, qui ne saurait être exacte. En effet, n’importe quel fragment d’un ressort ne peut pas avoir la même raideur que le ressort global. Songez à la difficulté d’étirer une seule spire d’un ressort ! La réponse correcte est 2k comme le montre le raisonnement suivant.

Considérons deux ressorts attachés bout à bout, de raideurs et de longueurs respectives k_1, k_2, \ell_1 et \ell_2. On note \ell_{01} et \ell_{02} les longueurs à vide respectives des deux ressorts. Soit \vec{T} la tension exercée par le second ressort à son extrémité libre. Il exerce alors la tension -\vec{T} à son autre extrémité où il est lié au premier ressort. Le principe des actions réciproques permet d’en déduire que le premier ressort exerce une force \vec{T} sur le point de liaison :

On a donc :


\vec{T}=-k_1\left(\ell_1-\ell_{01}\right)\vec{e}_x\,,

et


\vec{T}=-k_2\left(\ell_2-\ell_{02}\right)\vec{e}_x\,.

On souhaite déterminer la raideur k d’un ressort de longueur \ell_1+\ell_2 (et de longueur à vide \ell_{10}+\ell_{20}) équivalent à l’association de ces deux ressorts et qui exercerait donc une force \vec{T}=-k\left(\ell_1+\ell_2-\ell_{10}-\ell_{20}\right)\vec{e}_x.

On a donc :


-\frac{1}{k}\vec{T}=-\frac{1}{k_1}\vec{T}+-\frac{1}{k_1}\vec{T}\,.

La raideur équivalente est donc telle que \frac{1}{k}=\frac{1}{k_1}+\frac{1}{k_2}.

Imaginons qu’on découpe maintenant un ressort de raideur k et de longueur L en n parts de longueurs L/n. La raideur k_n de chacune de ses parts est telle que :


\frac{1}{k}=\sum_{1}^{n}\frac{1}{k_n}=\dfrac{n}{k_n}\,.

Ce qui donne : k_n=nk. Pour n=2, qui correspond au petit défi de physique proposé, on trouve une raideur 2k pour chaque moitié du ressort.

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