Coefficient De Restitution


Coefficient De Restitution

Coefficient de restitution

Le coefficient de restitution est un coefficient physique qui intervient lors d'une collision. Son introduction dans l'étude des chocs de solides réels dans l'air a été suggérée pour la première fois par Isaac Newton en 1687, et c'est pourquoi il est parfois appelé « coefficient de Newton »[1]. Il dépend des caractéristiques physiques des matériaux dont sont faits les corps qui entrent en collision.

Sommaire

Valeurs possibles

e\in [0,1]
Un coefficient de restitution supérieur à 1 est théoriquement impossible, et représente une collision qui génère de l'énergie cinétique. Un coefficient de restitution négatif est aussi théoriquement impossible, et figurerait une collision qui collerait les deux corps entre eux au lieu de les faire rebondir.

Obtenir un coefficient de restitution


On peut notamment obtenir le coefficient de restitution par deux moyen:
e=\frac{V_r}{V_i}
Autrement dit le rapport entre la vitesse restituée Vr et la vitesse initiale Vi, mais aussi par:
e=\sqrt{\frac{h_{n}}{h_{n-1}}}
La racine du rapport entre la hauteur d'un rebond hn et la hauteur du rebond précédent hn − 1

Collision dans une dimension

On a : \displaystyle{v=-eu}
avec v = vitesse finale du système, u = vitesse initiale du système, e = coefficient de restitution.

Quelques valeurs

Les premières valeurs ci-après sont données dans la plupart des mémentos[2], mais on peut vérifier qu'elles ne sont pas différentes de celles données par Isaac Newton dans les Principia[3]. Ces deux livres donnent pour l'acier un coefficient de 5/9 qui est manifestement trop faible. Dans la Dynamique Appliquée de L. Lecornu, le coefficient de restitution obtenu par percussions de deux billes d'acier est celui indiqué ci-dessous[4].

Solide 1 Solide 2 e
bois bois 1/2
liège liège 5/9
ivoire ivoire 8/9
verre verre 15/16
acier acier 19/20

Collision élastique

Si la collision est élastique, \displaystyle{e=1}, et donc \displaystyle{v=-u}
L'énergie cinétique est alors conservée.

Exemple: Un corps A de masse MA avançant rectilignement à une vitesse u, percute un corps B de masse MB au repos. La collision est élastique, donc e = 1. Soit vA, et vB les vitesses des corps A et B après la collision.

D'après la loi de la conservation de la quantité de mouvement:

\displaystyle{uM_{A}=M_{A}v_{A}+M_{B}v_{B}}

On applique le coefficient de restitution (et des vitesses relatives):

v_{A}-v_{B}=-1\times u

On obtient alors les relations:

\displaystyle {v_{A}=u\frac{M_{A}-M_{B}}{M_{A}+M_{B}}}
\displaystyle {v_{B}=2u\frac{M_{A}}{M_{A}+M_{B}}}

On voit donc que la particule initialement en déplacement ne s'arrêtera (donc aura communiqué l'entièreté de son énergie cinétique à la particule initialement au repos) que si MA = MB.

Application: Rebonds d'un corps

On lâche un corps verticalement, il va donc rebondir, et l'on peut quantifier les grandeurs physiques intervenant dans les rebonds grâce au coefficient de restitution mis en jeu.

Hauteur maximum \displaystyle{h_{n}} après n rebonds : :\displaystyle{h_{n}=e^{2n}h_{0}} Avec e coefficient de restitution de la collision, h0 hauteur initiale (avant de lâcher le corps).


Temps \displaystyle{t_{n}} après le n rebond et avant le n + 1 rebond: \displaystyle{t_{n}=e^{n}\sqrt{\dfrac{8h_{0}}{g}}} Avec g accélération de la pesanteur.


Temps total de rebond : \displaystyle{T=t_{0}+\sqrt{\dfrac{8h_{0}}{g}} \sum^{\infty}_{i=1}e^{i}}
A l'aide d'une suite géométrique, on trouve finalement: \displaystyle{T=t_{0}+\left(\dfrac{e}{1-e}\right) \times \sqrt{\dfrac{8h_{0}}{g}} } avec t0 temps avant le premier rebond.


Remarque: Le nombre de rebonds est infini mais T est fini.

Notes et références

  1. Cf. L. Lecornu, Dynamique Appliquée, p. 227.
  2. par exemple ceux de De Laharpe (vol. 1, p. 211) et H. Küchling (table 8, p. 584).
  3. Référence:Philosophiae Naturalis Principia Mathematica (Isaac Newton), Lois du Mouvement, scholie du corollaire VI. Newton donne aussi le coefficient de restitution de « deux pelotes de laines très serrées ».
  4. chap. 7, §110 Choc direct de deux sphères, p.230.
  • Isaac Newton, Philosophiae Naturalis Principia Mathematica
  • Léon Lecornu, Dynamique Appliquée (1908), éd. Octave Doin, Paris
  • De Laharpe, Notes et formules de l'ingénieur (20e édition, 1920), éd. Albin Michel, Paris
  • Horst Küchling, Taschenbuch der Physik (7e éd. 1985), éd. Harri Deutsch Verlag, Francfort

Voir aussi

Choc oblique inélastique entre deux sphères homogènes : voir article "La pratique du billard" sur http://www.regispetit.com/bil_pra.htm qui établit de façon générale les équations vectorielles du choc entre deux corps de vitesse quelconque.

Articles connexes

Choc élastique

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