Catapultez une balle de ping-pong à l'aide d’une balle de tennis

Réalisation de l’expérience

Nous vous recommandons de réaliser cette expérience à l'extérieur, sur un sol égal et ferme.

Commencez par laisser tomber sur le sol, depuis la même hauteur (p. ex. à hauteur de poitrine), une balle de tennis et une balle de ping-pong, sans leur donner d’impulsion, et regardez à quelle hauteur les deux balles rebondissent. Jusqu’à vos genoux ? Jusqu’à votre taille ? Sûrement pas au-dessus de votre tête ! Répètez l'expérience plusieurs fois et observez si le résultat est toujours le même.

Prenez ensuite la balle de tennis dans une main et la balle de ping-pong dans l’autre main. Placez la balle de ping-pong sur la balle de tennis en veillant à ce qu'elles soient bien alignées et de façon à ce qu'elles se touchent. Une fois encore, tenez-les à hauteur de poitrine. À votre avis, que va-t-il se passer si vous faites tomber les deux balles en même temps et qu'elles touchent ensemble le sol ? L’une des deux balles rebondira-t-elle plus haut que l'autre, ou les deux balles rebondiront-elles à la même hauteur ?

Vous devrez peut-être refaire l'expérience plusieurs fois pour la réussir, mais la balle de ping-pong devrait rebondir plus haut que la balle de tennis, voire plus haut que ta tête. Aviez-vous visé juste ? Et qu’advient-il de la balle de tennis ?

Explications

Pourquoi une balle ne rebondit-elle pas plus haut que la hauteur depuis laquelle elle a été lancée ?

Lorsqu’une balle tombe au sol, elle ne gagne aucune énergie au cours de sa trajectoire. Au contraire, elle en perd même un peu et rebondit donc moins haut.

Dans sa chute, la balle gagne en vitesse et, par la même occasion, en énergie cinétique. En outre, la balle reçoit une impulsion, autrement dit, un élan.

Au moment du choc avec le sol, la balle élastique se déforme. L'air dans la balle réagit comme un ressort. Il se comprime avant de se dilater à nouveau aussitôt : la balle rebondit alors. L’énergie et l’impulsion de la balle sont en principe conservées, à moins qu’un échange d’énergie ou d’impulsion n’ait lieu avec un autre objet, ou que de la chaleur ne soit produite, ce qui est le cas au moment du contact avec le sol. Du fait du frottement (avec le sol et à l’intérieur de la balle), une petite partie de l’énergie de la balle se transforme en chaleur. Comme le contact avec le sol ne donne aucune énergie supplémentaire à la balle, celle-ci n’a plus suffisamment d’énergie pour atteindre sa hauteur de départ.

Pourquoi la balle de ping-pong rebondit-elle plus haut lorsqu'elle est positionnée sur la balle de tennis ?

La balle de ping-pong n’entre pas seulement en collision avec le sol, mais aussi avec la balle de tennis qui rebondit. En règle générale, celle-ci catapulte la balle de ping-pong vers le haut.

Au moment du contact, la balle de ping-pong reçoit de la balle de tennis de l’élan et de l’énergie. La balle de tennis en revanche dispose à présent de moins d’énergie et rebondit moins haut que si on l'avait lancée seule.

Dans cette expérience, la transmission d’énergie et d’impulsion au moment du contact est d’autant plus importante que la masse de la balle de tennis (balle du dessous) est plus importante que celle de la balle de ping-pong (balle du dessus). Davantage de masse signifie en effet, à vitesse égale, davantage d’impulsion et d’énergie.

Vous avez sans doute déjà pu observer le phénomène suivant : lorsqu’on lance une boule d'un certain poids contre une boule plus légère et immobile, de par le choc, la boule la plus légère se met à rouler plus rapidement que la boule la plus lourde avant le choc. Dans le cas de notre expérience avec la balle de tennis et la balle de ping-pong, les lois de la physique sur la conservation de l’impulsion et de l’énergie trouvent leur application.

Avertissements

Cette expérience est sans danger. Veillez cependant à la réaliser à l’extérieur, afin que les balles n'abîment rien en rebondissant.

Astuces

Il faut absolument que les deux balles soient alignées de manière parfaitement verticale.

Prenez une balle de basket (bien gonflée) et essayez de répéter l’expérience en empilant les balles de basket, de tennis et de ping-pong. Il est d’autant plus important que les balles soient bien alignées.

Que se passe-t-il si vous inversez l’ordre des balles ? Placez la balle de tennis sur la balle de ping-pong, et faites l'essai !

Application

Un phénomène similaire s’utilise dans la trajectoire de sondes spatiales dans l’espace, et tout récemment dans le cas de la sonde Cassini en route vers Saturne. Le lancement de la fusée ne suffit pas pour que la sonde de 6 000 kg arrive à destination. C'est la raison pour laquelle ses concepteurs ont employé une petite astuce : ils ont envoyé la sonde sur une trajectoire à proximité de planètes (Vénus, Terre, Jupiter) dont la force d’attraction a pu être utilisée pour donner un petit « coup de pouce » à la sonde – évidemment, dans ce cas de figure, sans la toucher. On appelle ce phénomène « Swing-by » ou « Gravity Assist ».

Auteurs : Michèle Weber et Joseph Rodesch (FNR)
Editeurs : André Mousset
Vidéo : Michèle Weber et Joseph Rodesch (FNR)
Musique: Jake McBuzz (via Audiojungle)