Vous attendez-vous à ce que si vous faites rouler la voiture en arrière 30 $ \ \ mathrm {cm} $ puis que vous la relâchez, elle devrait avancer 30 $ \ \ mathrm {cm} $ ? Pourquoi? La plupart des petites voitures ne bougeraient pas du tout.

Si vous mettez une pierre dans une catapulte, tirez-la vers l'arrière 30 $ \ \ mathrm {cm} $ puis relâchez-la, elle va bien plus loin que 30 $ \ \ mathrm {cm} $ . Si vous faisiez cela dans un espace vide, la pierre continuerait indéfiniment.

L'énergie n'a pas été créée à partir de rien. Vous avez travaillé contre la catapulte, stockant de l'énergie élastique. Lorsque vous relâchez la catapulte, l'énergie élastique stockée est transformée en énergie cinétique de la pierre, qui est dissipée sous forme de chaleur et de son lorsque la pierre vole dans l'air et frappe une cible. S'il n'y a pas de résistance de l'air ou de frottement, et que rien ne gêne la pierre, son énergie cinétique reste constante pour toujours - sa vitesse ne change pas, elle va infiniment plus que 30 $ \ \ mathrm {cm } $ .

La petite voiture est la même. Au lieu d'un élastique, il contient un ressort. Pousser vers le bas engage une roue dentée. Lorsque vous poussez la petite voiture vers l'arrière, vous enroulez le ressort rapidement en utilisant une force relativement importante. Vous travaillez, l'énergie élastique est stockée au printemps. Lorsque la voiture est relâchée, elle remonte et a roue dentée différente est engagée. Maintenant, le ressort se déroule lentement, fournissant une force beaucoup plus petite à la petite voiture. (Voir Note.) L'énergie élastique est transformée en énergie cinétique de la voiture, qui est dissipée par frottement. La voiture perd progressivement son énergie cinétique; il ralentit et s'arrête. S'il n'y avait pas de friction, la voiture continuerait indéfiniment sur une surface plane.

Ce n'est pas l'distances qu'il faut comparer mais l'work done, qui est la force multipliée par la distance. Vous donnez à la voiture une énergie potentielle élastique en poussant avec une grande force sur une courte distance. La force de friction beaucoup plus petite enlève cette énergie sur une distance beaucoup plus longue après qu'elle a été transformée en énergie cinétique.

Supposons que la force de friction soit $ 0,1 \ \ mathrm N $ et que vous poussez la voiture vers l'arrière avec une force de 5,1 $ \ \ mathrm N $ sur une distance de 30 $ \ \ mathrm {cm} $ . Ensuite, vous avez effectué $ 5.1 \ \ mathrm N \ times 0.3 \ \ mathrm m = 1.53 \ \ mathrm {Nm} $ de travail. La friction fonctionne dans les deux sens, donc $ 0,1 \ \ mathrm N \ times 0,3 \ \ mathrm m = 0,03 \ \ mathrm {Nm} $ du travail que vous faites est gaspillé en poussant contre friction. Le $ 1,50 \ \ mathrm {Nm} $ restant d'énergie est stocké au printemps. Lorsque la voiture est relâchée, elle est transformée en énergie cinétique de la voiture. La force de friction de $ 0,1 \ \ mathrm N $ ralentit la voiture. Vous pouvez vous attendre à ce que la voiture parcoure une distance de 15 $ \ \ mathrm m $ avant de s'arrêter car 0,1 $ \ \ mathrm N \ fois 15 \ \ mathrm m = 1,5 \ \ mathrm {Nm} $ .

La voiture avance 50 $ fois plus loin que vous ne l'avez déplacée vers l'arrière. Mais vous n'avez créé aucune énergie. En fait, une certaine énergie a été perdue en poussant contre la friction. Seulement 1,50 $ \ \ mathrm {Nm} $ de 1,53 $ \ \ mathrm {Nm} $ d'énergie qui que vous avez fourni a été utilisé pour faire avancer la voiture.

Note: Lorsque le ressort est complètement déroulé, il est désengagé des roues afin que la voiture roule librement vers l'avant au lieu de remonter le ressort.C'est comme la catapulte qui libère la pierre;sinon la pierre étirerait à nouveau l'élastique et continuerait d'osciller jusqu'à ce que son énergie cinétique soit épuisée.

Cela fonctionne un peu comme le croquis ci-dessous.Lorsque vous poussez vers le bas et vers l'arrière sur la voiture, un engrenage à rapport élevé s'engrène qui enroule le ressort, donc une poussée de quelques pouces vers l'arrière fait reculer les roues de la voiture de quelques tours et enroule le ressort de plusieurs tours.Lorsque vous relâchez la voiture, la carrosserie se soulève.Cela désengrène le premier engrenage et engrène un engrenage à faible rapport à la place, de sorte que plusieurs tours de déroulement du ressort entraînent de nombreux tours avant des roues.Ignorez l'entraînement par courroie que j'ai inséré entre les engrenages, généralement les deux engrenages engrènent avec une seule roue motrice - mais cela aurait rendu mon croquis compliqué et plus difficile à comprendre.

Peut-être un peu comme ça en réalité.

tl; dr – La petite voiture peut avancer plus longtemps car elle n'est pas résistée par une force résistive égale.En revanche, les balanciers sont résistés par une force résistive égale, ils n'iront donc pas plus loin que vous ne les retirez.

Ce n'est pas un pendule.

Imaginez un pendule suspendu au centre.C'est comme la petite voiture.

Si vous tirez le pendule, c'est comme si vous remontiez la petite voiture.Et si vous le relâchez, il se lancera en avant, comme la petite voiture.

Le pendule n'ira pas plus loin au-delà du centre que vous ne l'avez retiré, car il stocke l'énergie potentielle gravitationnelle au fur et à mesure.La petite voiture, en revanche, ne stocke pas d'énergie dans un deuxième ressort pour se lancer en arrière dans la direction opposée;il laisse simplement son énergie cinétique le transporter.

Je pense que quelques détails sont cachés dans le manque de clarté de la question. De très belles compétences en dessin en effet!

Détail 1

1. Un volant est une roue dont la masse commence à tourner et stocke son énergie sous forme d'énergie cinétique (énergie de rotation).
2. Un ressort de torsion stocke son énergie sous forme d'énergie mécanique en enroulant le ressort. Cette énergie potentielle.

Je pense que la voiture dont vous parlez, qui avance lorsqu'elle est tirée vers l'arrière, n'utilise pas de volant, mais utilise en fait un ressort de torsion. comme indiqué dans le lien fourni par Joshua Ronis dans les commentaires.

Détail 2

La voiture que vous avez esquissée se déplace le long d'une surface horizontale. Cela signifie qu'il ne gagne aucune énergie potentielle gravitationnelle lorsqu'il avance (traduit). (Il perd un peu / toute son énergie sur: le frottement de l'air (principalement), le frottement de roulement (principalement), la création de bruit (petit) et je pense que le rayonnement de température (petit).

Réponse

Ainsi, par exemple, s'il n'y avait plus de friction une fois que la voiture a accéléré vers l'avant, la voiture continuerait à avancer pour toujours (un peu comme les satellites en orbite haute qui semblent durer indéfiniment, puisqu'ils éprouvent très peu de friction (quand tout ce dont ils avaient besoin était une poussée initiale d'une fusée quand ils montaient là-haut {en réalité, "monter là-haut et donner le coup de pouce initial" est généralement mêlé à l'efficacité énergétique}).

Par conséquent, la voiture peut en effet voyager au-delà de son point initial de poussée. Cela implique que les forces de frottement subies sont inférieures aux forces générées par l'énergie potentielle du volant / ressorts de torsion (sur la distance jusqu'au point de départ). Les forces qui peuvent être créées par le volant / ressorts de torsion (sur la distance jusqu'au point de départ) doivent être inférieures aux forces que vous exercez dessus avec votre main lorsque vous le faites rouler vers l'arrière (en raison de la conservation de l'énergie et de la vie réelle {mécanique} pertes de traduction d'énergie).

Description mathématique de la réponse

Cela pourrait être décrit mathématiquement avec: $ s = \ frac {1} {2} \ cdot a \ cdot t ^ 2 $ où:

• $ s $ = distance parcourue en voiture en $ m $
• $ a $ = accélération dans $ \ frac {m} {s ^ 2} $ ( venant de $ fd = m \ cdot a $ )
• $ f-d $ = la force d'accélération en newtons créée par le volant / ressort de torsion - la traînée que la voiture subit du frottement.
• $ m $ = masse de la voiture dans $ kg $
• $ t $ = le temps en secondes

Qui peut être réécrit en: $ s = \ frac {1} {2} \ cdot \ frac {fd} {m} \ cdot t ^ 2 $ donc si la force $ f $ est assez grand, et le glissement $ d $ est assez petit, $ s $ deviendra arbitrairement grand si le temps devient assez grand. (En réalité, $ f $ est une fonction du temps qui passe à 0 de manière non linéaire).

Le ressort est ce qui stocke l'énergie que vous transformez à partir de votre énergie mécanique en repoussant la voiture.

Maintenant, le volant doit être très lourd, en fait plus lourd que la voiture elle-même, ainsi, lorsque vous relâchez la voiture, le ressort transforme l'énergie potentielle stockée sur le volant, le faisant rouler.

Pourquoi le volant d'inertie roule-t-il plus en avant qu'en arrière?C'est parce qu'il a de l'inertie.Lorsque vous repoussez la voiture et chargez l'énergie dans le ressort, vous n'utilisez pas du tout le volant (et son inertie) pour faire reculer la voiture, vous utilisez simplement votre force mécanique.

Lorsque vous relâchez la voiture, le volant d'inertie roule réellement et c'est son inertie qui fait avancer la voiture jusqu'à ce que le volant perd cette inertie causée par le ralentissement à cause du frottement sur l'essieu (causé vraiment par la gravité).