STIC:STIC III (2018)/Découpeuse laser brachistochrone
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Courbe brachistochrone et découpeuse laser
Description
Si la distance minimale entre deux point a et b dans l'espace réel (avec a plus haut que b) est une droite, il n'en va pas de même pour le temps minimal de parcours d'un point matériel de vitesse initial nulle entre ces deux points dans un champs gravifique continu. La courbe brachistochrone représente la courbe de la trajectoire optimale du point matériel, en un temps minimal, entre ces deux points. Cette courbe est en outre une cycloïde: Soit p un point sur un cercle. Si on fait tourner ce cercle le long d'une droite, le trajet parcouru par le point p est alors une cycloïde. Elle est aussi tautochrone: Soit n points matériels situés en des endroits différents, sur la courbe brachistochrone, entre a et b (b non-compris), le temps t pour arriver au point b sera égal pour les n points.
L'équation paramétrique de la courbe est de la forme suivante: x(t)=R(t-sin(t)) y(t)=R (1-cos(t))
Objectif
Le but est d'obtenir une physicalisation dynamique de l'intervalle de temps minimal pour parcourir la distance entre 2 points situés à des hauteurs différentes en comparant les intervalles de temps sur différentes trajectoires (droite, chute libre et brachistochrone). La découpeuse laser permet de créer des "rampes" aux courbes variées, en faisant dévaler des billes le long des rampes, on obtient une visualisation physique du temps de parcours et de l'intervalle minimal. La courbe brachistochrone est parfois contre-intuitive, les individus préférant souvent des solutions tel que la chute libre ou la droite pour des trajets les plus rapides. En outre, les propriétés tautochrone de la courbe sont faciles à démontrer et souvent perturbantes pour un jeune public.
Représentation physique
En plus de la rampe représentant la courbe brachistochrone, le choix s'est donc porté sur une rampe droite allant du point a à b et une seconde rampe de la forme (1/x)^3 pour se rapprocher du modèle de la chute libre. Ces deux rampes permettent de borner la courbe brachistochrone en présentant des cas limites et facilitent ainsi la comparaison.
La construction des rampes a nécessité la découpe de plusieurs planches. Celles-ci ont ensuite été encollées les une sur les autres, la tranche des planches constituant la rampe sur laquelle la bille roule. Un cadre a été ajouté pour stabiliser la construction des 3 rampes accolées les une aux autres.
Le modèle initial a aussi évolué et a été légèrement modifié, des encoches ont été ajoutées aux bords des rampes pour permettre un système de blocage et le départ simultané des billes.
Rampes brachistochrone et droite - partie 01
Rampe "chute libre"- partie02
La forme finale de la rampe brachistochrone pour la découpeuse laser.
La forme finale de la rampe droite pour la découpeuse laser.
La forme finale de la rampe "chute libre" pour la découpeuse laser
Le cadre de support pour soutenir le dispositif de la rampe brachistochrone.
