Pourquoi un aimant ne peut-il pas

Rhett Allain

Il y a un mème qui circule depuis longtemps sur Internet qui est essentiellement une question : un véhicule à propulsion magnétique fonctionnerait-il ? (Voici une version publiée sur Reddit.) C'est un dessin très simple d'une camionnette avec une plaque de métal épaisse fixée à l'avant. Un bras de grue s'étend de l'arrière du camion au-dessus de la cabine et maintient un aimant puissant devant le véhicule. La théorie ici est que l'aimant attirera la plaque et tirera le camion vers l'avant, produisant essentiellement un mouvement perpétuel sans avoir besoin de carburant.

Voici ma version de ce dessin :

OK, vous avez probablement déjà deviné que cela ne fonctionnerait pas. (Je veux dire, si c'était le cas, nous serions déjà en train de rouler dans nos voitures magnétiques sans carburant, n'est-ce pas ?) Mais pourquoi pas ? Et existe-t-il un moyen d'en faire fonctionner un ?

Allons-y.

Nous utilisons des forces pour décrire les interactions tout le temps. Lorsque vous vous asseyez sur une chaise, la chaise pousse sur vous avec une certaine force, qui est due à l'interaction de la force de contact entre vos fesses et le siège. Juste debout sur la Terre, il y a une force qui vous tire vers le bas : la gravité. Si vous placez un aimant près d'un morceau de fer, l'aimant tire sur le métal. Cette force est due à l'interaction magnétique entre les deux.

Une chose importante à noter est que tous ces exemples sont des interactions entre deux objets. Vous ne pourriez pas avoir d'interaction entre une personne et une chaise sans la chaise. Cela est également vrai pour la Terre et une personne, et un aimant et un métal.

Regardons l'interaction entre deux objets génériques, A et B. Si l'objet A pousse sur l'objet B, alors l'objet B pousse également sur l'objet A avec exactement la même force de force mais dans la direction opposée. Nous nous référons souvent à cela comme à la troisième loi de Newton : pour chaque force, il existe une force égale et opposée.

Vous pouvez réellement mesurer ces forces égales et opposées. Prenons deux chariots sur une piste à faible frottement. Les deux chariots ont des capteurs de force montés sur le dessus, et les deux capteurs sont reliés entre eux par un élastique.

Jérémy Blanc

Kate Knibbs

Jérémy Blanc

Khari Johnson

Que se passe-t-il lorsque je les sépare ? Le chariot de droite tire sur le chariot de gauche. Le chariot de gauche recule avec la même force, mais dans le sens opposé. (En fait, dans ce cas, il y a aussi l'élastique, mais comme il a une masse si faible, nous pouvons simplement prétendre qu'il s'agit d'une force fondamentale, comme la gravité ou une force magnétique.)

Voici ce que les deux capteurs de force lisent lors de cette interaction :

Grâce à la troisième loi de Newton, les deux capteurs ont des mesures de force qui sont à peu près de la même force.

Il y a une autre règle de force que nous devons considérer pour notre hypothétique véhicule à aimant. C'est la deuxième loi de Newton, qui dit qu'une force nette sur un objet modifie la vitesse de cet objet. Vous avez peut-être vu cette loi exprimée sous la forme de l'équation suivante :

Jérémy Blanc

Kate Knibbs

Jérémy Blanc

Khari Johnson

Dans cette équation unidimensionnelle, la force totale, ou force nette, est égale au produit de la masse d'un objet et de son accélération. (Il existe également une version vectorielle de cela, mais ne vous inquiétez pas.)

L'accélération vous indique à quelle vitesse la vitesse de l'objet change. Mais si la force nette sur un objet est nulle, alors l'accélération doit également être nulle. Si un objet est au repos avec une accélération nulle, alors il devrait rester au repos. Ceci est également important pour notre camion à propulsion magnétique.

Bien sûr, la première étape pour tester si cette idée fonctionnerait consiste simplement à essayer un modèle du monde réel. C'est assez simple. Je n'ai pas besoin d'une version pleine grandeur; Je peux simplement utiliser mes chariots à faible friction avec un type de grue magnétique comme substitut. Voici ce que j'ai construit :

Jérémy Blanc

Kate Knibbs

Jérémy Blanc

Khari Johnson

Sur la gauche, vous pouvez voir un grand aimant en néodyme attaché à une grue à base de Lego, qui est reliée au chariot avec du ruban adhésif. Juste au cas où vous n'auriez jamais utilisé ces choses auparavant, elles sont assez puissantes. Il y a une barre de fer de bonne taille attachée au chariot lui-même. Il y a en effet une force d'attraction assez importante entre l'aimant et le fer, c'est plus qu'assez fort pour vous pincer le doigt si vous ne faites pas attention.

Le test est simple : la force de l'aimant sur la barre de fer fera-t-elle bouger l'ensemble ?

Bien sûr… ça ne marche pas. Le chariot n'accélère pas et ne bouge pas. (J'aurais pu publier cela sous forme de film, mais un film qui ne bouge pas n'est vraiment pas très amusant.)

Alors pourquoi ça ne marche pas ? Le meilleur endroit pour commencer est peut-être avec un chariot magnétique légèrement différent qui accélère. Regarde ça:

Maintenant, le chariot (à droite) non seulement se déplace, mais accélère et augmente sa vitesse à mesure qu'il se déplace vers la gauche.

Regardons les forces sur ce chariot avec un diagramme de force. (Nous appelons souvent cela un diagramme de corps libre.)

Jérémy Blanc

Kate Knibbs

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Khari Johnson

Si nous ignorons la friction, ce qui est assez raisonnable, alors il n'y a que trois interactions de force impliquant le chariot. Il existe une force de traction vers le bas due à l'interaction gravitationnelle entre le chariot et la Terre. Étant donné que le chariot est assis sur la piste, il y a également une interaction de contact de poussée vers le haut. (Ces deux forces ont des forces égales et opposées, de sorte que lorsqu'elles sont additionnées, elles s'annulent. Cependant, ce n'est pas la même interaction, puisque l'une est entre la piste et le chariot et l'autre entre la Terre et le chariot.)

Cela laisse la force finale entre l'aimant et le chariot sans rien pour s'y opposer. Avec cette force nette tirant vers la gauche, le chariot passe du repos au déplacement, puis se déplace plus rapidement. C'est un véhicule magnétique réel, comme vous l'avez toujours voulu !

Cela donne l'impression que l'idée du camion magnétique pourrait fonctionner. Mais pour voir pourquoi ce n'est pas le cas, nous avons besoin d'un diagramme de force pour le chariot avec l'aimant et la grue. En fait, comme ça devient compliqué, je vais créer trois diagrammes différents. Il y en aura un pour le chariot, un pour la grue et un pour l'aimant. (Ne vous inquiétez pas, j'ai codé les forces par couleur pour vous.)

Commençons par les forces sur le chariot. Il n'y a qu'une seule différence maintenant que l'aimant et la grue sont ajoutés : c'est la force de la grue qui pousse sur le chariot. Notez que maintenant la force totale (la force nette) sur le chariot est nulle.

En se déplaçant vers l'aimant, puisque l'aimant tire le chariot vers la gauche, il y a une force d'amplitude égale du chariot tirant l'aimant vers la droite. Cette force a la même amplitude que la force de l'aimant tirant sur le chariot, puisqu'il s'agit en fait de la même interaction.

Ensuite, il y a la force gravitationnelle sur l'aimant, qui est équilibrée par une force de traction vers le haut de la grue. La grue pousse également vers la gauche sur l'aimant pour l'empêcher de s'écraser sur le chariot.

Jérémy Blanc

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Jérémy Blanc

Khari Johnson

Enfin, nous avons la grue elle-même. J'ai laissé de côté certaines des forces sans importance ici - les plus critiques sont les forces de l'aimant et du chariot tirant dans des directions opposées.

Tous ces objets ont une force nette de zéro. C'est la partie importante : avec une force nette nulle, il y aura une accélération nulle. Ces trois objets qui commencent avec une vitesse de zéro resteront à zéro. Ils ne bougeront pas. Cela ne fonctionnera pas.

Je pense qu'une partie de la raison pour laquelle il est difficile de comprendre pourquoi cela ne fonctionnera pas est que vous ne pouvez pas voir directement l'interaction attrayante entre l'aimant et le chariot. Cela donne l'impression que cela ressemble à de la magie - et la magie peut faire bouger les choses.

Voici donc une légère variante du chariot magnétique qui ne fonctionne pas non plus : Supposons que je garde la grue attachée au chariot, mais que je remplace l'aimant et le fer par un élastique. Lorsqu'il est étiré, un élastique produit également une force d'attraction similaire à l'interaction entre l'aimant et le fer. Cependant, avec l'élastique, vous pouvez réellement voir l'interaction. Vérifiez-le:

Il ne bouge pas, et je pense que personne ne s'y attendrait. Mais c'est essentiellement la même chose que le chariot magnétique.

J'aime utiliser de vieux dessins animés comme exemples, et dans la série Looney Tunes Road Runner, Wile E. Coyote essaie toujours de trouver de nouvelles façons d'attraper l'oiseau très rapide, ou peut-être un lapin idiot. Habituellement, il se trompe, mais de temps en temps, il se trouve qu'il a raison. Eh bien, en quelque sorte.

Dans cet épisode, il met des graines pour oiseaux avec du fer supplémentaire. Après que le Road Runner l'ait mangé, Wile E. s'attache un aimant pour qu'il puisse attraper cet oiseau.

Bien sûr, cela ne fonctionne pas, car dans le dessin animé, l'aimant est attiré par un train en mouvement, et donc Wile E. s'y écrase. Et, de manière plus réaliste, dans ce cas, l'interaction magnétique produirait une force extrêmement petite qui ne suffirait pas à surmonter le frottement.

Cependant, l'idée principale est au moins basée sur quelque chose de réel. Avez-vous remarqué qu'avec cette méthode Wile E. Coyote, l'aimant et le fer sont attachés à deux choses distinctes ? C'est la partie importante. Rappelez-vous que les forces viennent par paires. L'aimant tire sur le Road Runner, mais le Road Runner tire sur l'aimant. Étant donné que la force de l'aimant est sur le Road Runner et non sur une partie de Wile E., cela signifie que ces forces ne s'annulent pas et qu'il est capable de zoomer jusqu'à sa propre destruction.

En fin de compte, lorsque les choses semblent trop belles pour être vraies, elles le sont probablement.