L'EFFET GYROSCOPIQUE: de la voiture à la navigation maritime!!

obiyann

Bonjour les padawans de la physique. Aujourd'hui on voit comment les roues d'une voiture fonctionnent mais aussi l'effet gyroscopique sur un deux-roues et enfin comment déterminer un cap avec un gyrocompas!! N'hésitez pas à partager cette vidéo, c'est gratuit  Ma chaine twitch: https://www.twitch.tv/obiyann Facebook: https://www.facebook.com/obiyannexplique twitter: https://twitter.com/obiyannexplique instagram: https://www.instagram.com/obiyannexplique/?hl=fr  la chaine "les idées froides: https://www.youtube.com/@Lesideesfroides sources: https://www.youtube.com/watch?v=eup_Aj_w-hY&list=WL&index=28 https://www.youtube.com/watch?v=L8pH6fww0Yc&t=157s https://www.youtube.com/watch?v=l8SpLrAlgGA pour aller plus loin: https://www.youtube.com/watch?v=bvN-uwU2X5Y https://www.youtube.com/watch?v=Wp2TMG2zSMQ https://www.youtube.com/watch?v=GRMuz7uiWO4

Transcript

00:00 Eh, vous avez vu ? Vous savez comment ça tient ?

00:02 Bah c'est à cause de la précession !

00:04 Ah mais oui, c'est la guerre entre les nordistes et les sudistes, c'est ça ?

00:06 Mais non, ça c'est la guerre de sécession, abruti !

00:08 SÉCESSION !

00:10 GAAAH !

00:12 Bonjour les padawan de la physique,

00:14 Obi-Wan pour vous servir.

00:16 Bienvenue sur la chaîne qui répond à VOS questions.

00:18 Et pour ce faire, laissez-les en commentaire

00:20 et je répondrai lors d'une prochaine vidéo.

00:22 Aujourd'hui, on répond aux commentaires de Céci Fellam

00:24 et on voit pourquoi quand on lâche le volant de notre voiture,

00:26 les roues se redressent toutes seules.

00:28 D'ailleurs, on va aller même un peu plus loin.

00:30 On va voir comment ça marche avec les deux roues.

00:32 Parce que vous allez voir, c'est pas exactement la même chose.

00:34 Commençons par la voiture.

00:36 Pour comprendre pourquoi les roues reviennent dans leur position

00:38 quand je lâche mon volant, on va être obligé de voir un peu la conception des voitures.

00:40 En tout cas, on va regarder au moins comment est fait le train avant de notre voiture.

00:42 Quand je tourne mon volant,

00:44 je viens donc actionner une crémaillère

00:46 qui vient faire pivoter mes roues dans le sens dont j'ai tourné le volant.

00:48 Ce pivot va se faire selon un axe,

00:50 ce qu'on appelle l'axe de pivot.

00:52 Bon, je pense que tout le monde n'est pas un expert en mécanique auto,

00:54 donc si je vous parle d'axe de pivot,

00:56 vous pensez que l'axe est perpendiculaire à la route.

00:58 Les ingénieurs qui ont conçu les nouvelles voitures

01:00 ont décidé de créer un angle par rapport à cet axe.

01:02 C'est l'angle de chasse.

01:04 Maintenant qu'on a cet angle, on va prolonger l'axe.

01:12 Et du coup, il y a un point d'intersection

01:14 entre le prolongement de l'axe et la route.

01:16 Ce point, on va l'appeler point de pivot.

01:18 Et maintenant, ce qu'on peut constater,

01:20 c'est que ce point de pivot

01:22 est devant le point de contact entre la roue et le sol.

01:24 Bon, tout ça c'est très bien,

01:26 mais maintenant, mettons-nous en situation.

01:28 Ce mot, nous ne le connaissons pas.

01:30 Ni vous, ni nous.

01:32 Quand je vais prendre un virage,

01:34 je vais tourner mon volant.

01:36 Et c'est à ce moment-là que des forces vont rentrer en jeu.

01:38 Pour l'instant, je vais juste introduire ces forces.

01:40 On les verra un peu plus en détail plus tard dans la vidéo.

01:42 Et bien, quand je tourne mon volant,

01:44 ma voiture va effectuer une rotation.

01:46 À ce moment-là, il va y avoir création d'une force

01:48 qui va de la voiture vers l'axe de rotation.

01:50 C'est la force centripète.

01:52 Cette force est appliquée en général à la voiture,

01:54 mais plus particulièrement aux roues.

01:56 Le point d'origine de cette force est situé

01:58 sur le point de contact entre la roue et le sol.

02:00 Et bien, si l'axe de pivot était,

02:02 comme on l'a dit au début, perpendiculaire au sol,

02:04 la force centripète, quand je lâche le volant,

02:06 viendrait tirer à 90° sur cet axe.

02:08 Vu qu'on vient tirer

02:10 sur l'axe du pivot,

02:12 les roues ne tournent pas.

02:14 Le fait d'avoir créé un angle de chasse

02:16 fait que, on l'a vu tout à l'heure,

02:18 le point de pivot est décalé.

02:20 Ici, on peut assimiler la force centripète

02:22 comme si on venait tirer sur la roue.

02:24 Sauf que, vu que le point de pivot est éloigné

02:26 du point de contact, en tirant au niveau

02:28 du point de contact, on voit bien que la roue

02:30 va commencer à se décaler dans le sens opposé.

02:32 Je lâche mon volant, la force centripète

02:34 est toujours là, et donc va redresser les roues.

02:36 Une fois qu'on est droit, plus de force centripète,

02:38 du coup ça reste tout droit. Et quand on est en deux roues,

02:40 si je lâche mon guidon, qu'est-ce qui se passe ?

02:42 Là, ça ne revient pas tout seul.

02:44 Alors voyons exactement les phénomènes qui se passent sur le deux roues.

02:46 Parce qu'en effet, il y a un phénomène

02:48 qui va rentrer en jeu quand on commence à

02:50 prendre de la vitesse en deux roues, c'est l'effet

02:52 gyroscopique. Et c'est ce qu'on va voir tout de suite.

02:54 Comment aborder l'effet gyroscopique simplement ?

02:56 Déjà,

02:58 si vous ne roulez pas, et que vous restez sur

03:00 votre vélo, vous allez tomber. Par contre,

03:02 si vous roulez et que vous lâchez les mains, vous voyez bien

03:04 que vous tenez en équilibre. Ça c'est grâce à cet effet,

03:06 l'effet gyroscopique. Normalement, pour expliquer

03:08 l'effet gyroscopique, il y a des histoires de moments cinétiques,

03:10 etc. On ne va pas faire de vecteur, on va essayer

03:12 de faire simple. Comme d'habitude, je vous mettrai en description

03:14 des choses pour creuser un peu plus le sujet.

03:16 Vous allez voir qu'avec ce que je vais vous montrer, il y a déjà

03:18 moyen de bien comprendre comment ça marche. La première chose que je vais faire,

03:20 c'est vous poser une question.

03:22 Comment vous tournez votre guidon si vous voulez tourner

03:24 à droite ? Normalement, vous avez dû me répondre

03:26 "à droite, ça aide !"

03:28 Je vais prendre une roue, je vais mettre mes

03:30 deux mains comme ça, et je vais faire le guidon.

03:32 On a dit que pour tourner à droite, il fallait que je tourne

03:34 le guidon sur la droite. Et on voit bien que ça marche.

03:36 Ma roue tourne bien sur la droite. Maintenant,

03:38 ce qu'on va faire, c'est qu'on va faire tourner la roue.

03:42 Maintenant, la roue tourne, et je vais faire

03:44 le même mouvement. Vous avez vu ?

03:46 Hop là !

03:48 La roue part à gauche. Et ça, c'est dû à quoi ?

03:50 C'est un des effets de ce qu'on appelle la force

03:52 de précession. Mais la force de précession,

03:54 qu'est-ce que c'est ? Pour simplifier les choses, je vais vous

03:56 expliquer à l'aide d'une toupie. Mais au final,

03:58 une toupie, c'est une roue qu'on met à 90°.

04:00 Et donc,

04:02 quand la toupie tourne, elle tient en équilibre.

04:04 Et en général, quand il y a du mouvement

04:06 et un équilibre, c'est qu'il y a plein de forces qui

04:08 rentrent en jeu. Et en effet, c'est bien le cas ici.

04:10 La majorité des forces qu'on va voir aujourd'hui, je les ai

04:12 déjà expliquées dans la vidéo sur Coriolis.

04:14 Mais là, on va reprendre un petit peu pour bien comprendre.

04:16 Afin d'imaginer mon propos, il va falloir que j'utilise

04:18 des images qui ne sont pas à moi.

04:20 J'ai fouillé un peu partout sur le net, et le seul endroit

04:22 où j'ai trouvé les vidéos qui vont correspondre se trouve

04:24 sur la chaîne des idées froides. C'est une chaîne

04:26 vraiment bien, donc je vous mets le lien en description.

04:28 Allez faire un tour, vous n'allez pas être déçus. On va donc encore

04:30 parler de Newton. Et on va reparler de sa première

04:32 loi, à savoir la loi d'inertie.

04:34 Qu'est-ce qu'elle dit cette loi ? Eh bien tout simplement, elle dit

04:36 que si on met en mouvement un objet et qu'il n'y a

04:38 aucune force aux alentours, l'objet va aller

04:40 tout droit. Hop là,

04:42 le derrière-mède. Vu que ça va toujours

04:44 tout droit, quand on veut qu'un objet tourne,

04:46 il faut forcément ajouter une force.

04:48 Une force qui va vers le centre de rotation.

04:50 C'est la force centripète. D'ailleurs, on voit bien que

04:52 si on additionne les deux forces, une

04:54 qui va tout droit et l'autre qui va vers le centre,

04:56 en effet, notre objet va tourner. Mais à ce

04:58 moment-là, la troisième loi de Newton intervient.

05:00 Vous la connaissez forcément.

05:02 C'est la loi qu'on dit d'action-réaction.

05:04 Elle dit exactement que si un corps A

05:06 exerce une force sur un corps B,

05:08 le corps B exerce une même force

05:10 sur le corps A, de même intensité,

05:12 de même direction, mais de sens opposé.

05:14 Donc, s'il y a une force centripète

05:16 qui va de l'objet vers le centre

05:18 de rotation, par la troisième loi

05:20 de Newton, il va y avoir donc une force qui va

05:22 du centre vers l'objet,

05:24 donc qui va attirer l'objet vers l'extérieur.

05:26 C'est ce qu'on appelle la force

05:28 centrifuge. Maintenant qu'on a expliqué ça,

05:30 on va mettre ça de côté, on va pouvoir revenir à notre toupie.

05:32 À partir de maintenant, on va imager

05:34 que le rebord de notre toupie, ce sont des billes.

05:36 Des billes collées les unes aux autres.

05:38 À partir du moment où la toupie va être mise en rotation,

05:40 chaque bille va être soumise à une force

05:42 centripète de la part de la toupie.

05:44 Et suivant la troisième loi de Newton,

05:46 la toupie va exercer une force centrifuge

05:48 sur les billes. Si on choisit deux billes

05:50 qui sont en opposition sur la toupie,

05:52 on voit bien que nous avons deux forces

05:54 centrifuges qui sont de sens opposé.

05:56 Vous voyez, c'est un peu comme si on tirait sur chaque

05:58 côté de la toupie, mais tout partout en même temps.

06:00 Ça permet donc d'avoir une rotation plane.

06:02 Seulement, il y a une force dont on n'a pas parlé. La force de la gravité.

06:04 Ah oui ! Pourquoi la roue,

06:06 elle ne tombe pas ? Il faut forcément une force pour

06:08 l'annuler, pour qu'elle puisse rester en équilibre.

06:10 Et bien pour expliquer ça, on va

06:12 faire comme tout à l'heure avec notre guidon.

06:14 On va exercer une force au niveau de la tige

06:16 pour faire un pivot au niveau de la toupie.

06:18 On reste sur notre toupie avec des billes. Et si on regarde

06:20 les billes qui arrivent dans l'axe du pivot,

06:22 on voit qu'elles font une forme de rotation.

06:24 Et qu'est-ce qu'on a dit tout à l'heure quand il y a une rotation ?

06:26 Il y a une force centripète

06:28 qui va vers le centre de rotation.

06:30 Puis, il y a création

06:32 d'une force centrifuge

06:34 à l'opposé de la force centripète.

06:36 Et donc, si on est bien dans l'axe

06:38 du pivot, on voit bien que de part et

06:40 d'autre de la toupie, il y a une bille

06:42 qui a une rotation dans un sens

06:44 et la bille opposée a une rotation dans

06:46 l'autre sens. Donc,

06:48 on a deux forces centrifuges de sens

06:50 opposés. On vient donc d'avoir

06:52 un couple de forces. Et ce couple de forces,

06:54 il va faire quoi ? Eh bien, il va faire pivoter notre

06:56 toupie. Mais comment il fait pivoter notre toupie ?

06:58 Eh bien, perpendiculairement, donc

07:00 à 90 degrés, par rapport au

07:02 premier pivot. Vous vous rappelez tout à l'heure de mon histoire de

07:04 guidon ? Là, c'est la même chose.

07:06 En fait, qu'est-ce qu'on vient faire ? On vient créer un pivot

07:08 avec notre guidon. Et on va avoir

07:10 une force à 90 degrés, donc

07:12 une force perpendiculaire. C'est pour ça que

07:14 quand je crée un pivot en tournant vers

07:16 la gauche, eh bien ma moto penche vers

07:18 la droite et que je tourne vers la droite.

07:20 Mais ça, c'est pour la moto. Nous, notre toupie, elle n'a

07:22 pas de guidon. Donc là, continuons la démarche intellectuelle.

07:24 Je crée un premier pivot qui

07:26 va créer un couple de forces centrifuges, qui va

07:28 créer un deuxième pivot. Mais ce deuxième pivot,

07:30 il va créer un autre pivot.

07:32 Et ainsi de suite. Et donc, en fait, on va avoir une force

07:34 comme ça, puis comme ça, puis comme ça, puis comme ça,

07:36 puis comme ça, puis comme ça, et hop là !

07:38 Et c'est pour ça qu'on tient en équilibre.

07:40 C'est tous ces couples de forces centrifuges, tout

07:42 autour de la toupie, qui font qu'elle tient

07:44 en équilibre. On appelle ça la

07:46 force de précession. C'est ça qui va maintenir

07:48 en équilibre ma toupie. Maintenant, la force

07:50 de précession sur la toupie, elle est présente.

07:52 Mais il y a un autre objet où on optimise cette force

07:54 de précession. Cet objet, vous le connaissez certainement,

07:56 car Dr Nozman l'a présenté il y a 5 ou 6 ans.

07:58 Il s'agit du gyroscope, et c'est

08:00 un objet hyper cool. Et c'est

08:02 vrai que c'est cool ! Si je vous disais que cet objet,

08:04 au-delà d'être cool, il peut être utilisé

08:06 pour faire plein d'autres trucs. On va en voir

08:08 un en particulier, à savoir la navigation

08:10 maritime. Parce que oui, le gyroscope

08:12 peut servir à donner un cap. Je vais

08:14 juste parler du moment angulaire 30 secondes, mais on ne rentrera

08:16 pas dans le détail, et on n'expliquera pas les calculs vectoriels

08:18 qui sont nécessaires pour déterminer

08:20 ce moment angulaire. La seule chose à savoir,

08:22 c'est qu'un gyroscope, à partir

08:24 du moment où il tourne à la bonne vitesse,

08:26 on le mettra dans une position, et si la vitesse

08:28 est maintenue constante, il restera

08:30 dans la position où on l'a mise. Il maintiendra

08:32 son moment angulaire. Mais pour

08:34 ce faire, il faut qu'il y ait un point de contact.

08:36 Qu'est-ce qui se passerait si notre gyroscope

08:38 pouvait se mouvoir dans l'espace ? On va le mettre dans un système

08:40 avec des axes de liberté de manœuvre, comme ça

08:42 il pourra se déplacer en 3D comme il veut.

08:44 À ce moment-là, la question qui va se poser,

08:46 c'est "est-ce que mon gyroscope va rester

08:48 dans la position où on l'a mise ?"

08:50 "Moi je pense que la question est vite répondue."

08:52 Si je vous en parle, vous vous doutez bien que la réponse est non. Mais pourquoi ?

08:54 Eh bien je vais vous parler d'une grosse toupie bleue

08:56 que vous connaissez tous, la Terre.

08:58 La Terre tombe sur son axe.

09:00 On a dit que lorsqu'un objet était en rotation, il y avait

09:02 création de forces de précession.

09:04 Donc sur la Terre, il y a bien une force de précession.

09:06 Si on prend le système que je vous expliquais tout à l'heure,

09:08 je démarre mon gyroscope, je le mets à la vitesse

09:10 constante, et je le laisse se débrouiller.

09:12 Pour l'instant, le moment angulaire, il part

09:14 du centre de la Terre vers le Soleil, d'accord ?

09:16 Ou vers le ciel, si vous voulez. Sauf que,

09:18 vu qu'il y a une force de précession créée

09:20 par la rotation de la Terre, il va y avoir

09:22 une création d'un équilibre. Bah oui, je vous rappelle que notre gyroscope

09:24 peut se déplacer comme il veut dans les trois dimensions.

09:26 Donc les deux moments angulaires sont

09:28 à 90 degrés. Ce qui va se passer, c'est que notre

09:30 gyroscope va se caler de telle façon

09:32 à avoir le même moment angulaire entre

09:34 les deux. On va donc avoir un gyroscope

09:36 parallèle au méridien de la Terre. Donc on va

09:38 avoir un appareil qui pointe toujours

09:40 vers le Nord. Vous me voyez certainement venir.

09:42 Si je fixe mon appareil avec mon gyroscope

09:44 sur un bateau, et qu'on le met sur l'axe

09:46 du bateau, ce qu'on appelle la ligne de fond. Vu

09:48 qu'il va pointer toujours vers le Nord,

09:50 il suffit juste d'avoir une signalisation,

09:52 et donc quand le bateau va virer de bord,

09:54 soit sur bas-bord, soit sur tri-bord,

09:56 il va y avoir un décalage

09:58 entre la signalisation

10:00 et le pointage de mon gyroscope. Je viens donc de

10:02 trouver comment mesurer un cap grâce

10:04 à mon gyroscope. En plus, là,

10:06 il ne pointe pas le Nord magnétique, mais le Nord

10:08 géographique. C'est pour ça que c'est intéressant d'avoir ce qu'on

10:10 appelle un gyrocompas. Juste le truc

10:12 un peu pénible, c'est que quand on le démarre,

10:14 "Je vais le démarrer, cet enculé !"

10:16 il faut le temps qu'il se cale,

10:18 et donc il y a quelques heures à le faire tourner

10:20 le temps qu'il se mette sur l'axe Nord-Sud.

10:22 Bien sûr, tout cela est simplifié au maximum.

10:24 Ici, on voit des notions. Le but est de comprendre

10:26 comment ça marche. Si ça vous intéresse, en description,

10:28 je vous mets le lien vers des vidéos où il y a tous les calculs

10:30 vectoriels pour calculer les moments d'inertie,

10:32 etc. Je sais que je le répète tout le temps,

10:34 mais ici, c'est une petite chaîne, et ça m'aide beaucoup.

10:36 N'hésitez pas à lâcher un like

10:38 si la vidéo vous a plu, à vous abonner,

10:40 à mettre la cloche si vous ne voulez rater aucune des prochaines vidéos.

10:42 C'était Obi-Yan qui vous dit

10:44 que la science soit avec vous !

10:46 [Musique]

10:48 [Musique]

10:50 [Musique]

10:52 [Musique]

10:54 [Musique]

10:56 [Musique]

10:58 [Musique]

11:00 Je vais aller chercher ma roue,

11:02 parce que j'ai oublié.

11:04 Parce que la roue pète !

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