Un enfant tient des haltères d’un côté et de l’autre de ses deux mains et s’assoit sur une chaise pivotante pour tourner lentement. Quand il rapproche soudainement ses mains contre son corps, il remarque que sa vitesse de rotation a nettement augmenté. Personne ne l’a poussé, il a simplement rapproché ses bras contre son corps, alors pourquoi la vitesse de rotation a-t-elle changé ? Commençons par parler de l’ouverture et de la fermeture d’une porte, c’est plus facile à comprendre. Une porte peut tourner autour d’un axe de rotation. En général, lorsque nous ouvrons une porte, notre force est perpendiculaire à cet axe de rotation. Essayez : si vous appliquez une force vers le bas sur la poignée de porte (dans le sens parallèle à l’axe de rotation) ou si vous dirigez la force vers l’axe de rotation, la porte ne tournera pas. Le simple fait d’ouvrir une porte contient de nombreux principes de mécanique. Nous pouvons au moins conclure que si la force agit parallèlement à l’axe de rotation ou vers celui-ci, elle n’a aucun effet sur la rotation de la porte. Bien sûr, nous pouvons remplacer la porte par d’autres objets. Dans le problème de rotation de l’enfant, les seules forces externes qui agissent sur lui sont la gravité et le soutien du sol sur la chaise, et ces forces sont également parallèles à l’axe de rotation. Selon notre conclusion précédente, ces forces n’ont aucun effet sur la rotation. Par conséquent, si la vitesse de rotation a changé avant et après que l’enfant rapproche ses bras, quelle est la quantité de « rotation du système » qui reste constante pendant la rotation ? Analysons d’abord les changements des quantités physiques dans le problème de rotation de l’enfant. Avant que l’enfant rapproche ses bras, le phénomène est le suivant : la masse des haltères ne change pas, mais la distance entre elles et l’axe de rotation diminue, donc la rotation de l’ensemble du système s’accélère.
Et l’analyse précédente montre qu’il existe une quantité qui ne change pas. Nous pouvons donc naturellement penser : la vitesse de rotation et la distance changent respectivement, alors leur produit sera-t-il constant ? Impossible ! Parce que les unités de ces deux quantités sont différentes et ne peuvent pas être additionnées. Alors le « produit de la vitesse de rotation et de la distance » sera-t-il constant ? Si vous réfléchissez de cette façon, alors félicitations, vous avez deviné correctement ! Le résultat que vous avez deviné est en fait la « loi de conservation de l’angle de rotation » en physique, également appelée « loi de conservation du moment de rotation » en mécanique. Avec cette conclusion, il est facile de comprendre pourquoi les patineurs artistiques accélèrent leur rotation en rapprochant leurs bras : les patineurs commencent par ouvrir leurs bras et tourner lentement, la friction sur la glace est très faible et n’a aucun effet sur la vitesse de rotation, tandis que la gravité et le soutien sont parallèles à l’axe de rotation et n’ont aucun effet sur la rotation du système ; selon la « loi de conservation du produit de la vitesse de rotation et de la distance », rapprocher les bras équivaut à réduire la distance par rapport à l’axe de rotation, et la vitesse de rotation s’accélérera naturellement.
Pourquoi les patineurs artistiques contractent-ils leur corps lorsqu'ils tournent rapidement ?
Cet article prend comme exemples le phénomène où un enfant accélère la vitesse de rotation de ses bras lorsqu'il est assis sur une chaise tournante et tient un haltère, ainsi que le principe de la force exercée sur une porte pour la faire tourner, afin d'expliquer la loi de conservation du moment angulaire (loi de conservation du moment cinétique) et de démontrer pourquoi les patineurs artistiques contractent leur corps lorsqu'ils tournent rapidement.
