Comment fonctionnent la force, la puissance, le couple et l'énergie

Si vous avez lu de nombreux articles, vous avez vu beaucoup de termes utilisés - des mots tels que Masse, Obliger, couple, travail, Puissance et énergie. Que signifient vraiment ces mots, et sont-ils interchangeables?

Dans cet article, nous vous aiderons à rassembler toute cette terminologie, à donner quelques exemples d'utilisation de chacun et même à essayer quelques calculs en cours de route pour comprendre..

Tout au long de cet article, nous ferons référence à différents types d'unités. Dans la plupart des pays du monde, le Système international d'unités (SI - du français Le Système International d'Unités), également appelé le système métrique, est accepté comme ensemble standard d'unités. Ce système contient la plupart des unités métriques auxquelles vous êtes habitué, comme les mètres et les kilogrammes, mais comprend également des unités pour de nombreuses autres propriétés physiques et techniques. Même les États-Unis ont officiellement adopté le système d'unités SI, mais Unités d'ingénierie anglaises (comme les livres et les pieds) sont toujours utilisés au quotidien. Avant de nous lancer dans l'explication de ces termes, nous devons commencer par quelques notions de base. Nous allons commencer par la masse et progresser vers l'énergie.

Généralement, Masse est défini comme la mesure de la quantité de matière qu'un objet ou un corps contient -- le nombre total de particules subatomiques (électrons, protons et neutrons) dans l'objet. Si vous multipliez votre masse par l'attraction de la gravité terrestre, vous obtenez votre poids. Donc, si votre poids corporel fluctue, à cause de l'alimentation ou de l'exercice, c'est en fait le nombre d'atomes qui change..

Il est important de comprendre que la masse est indépendante de votre position dans l'espace. La masse de votre corps sur la lune est la même que sa masse sur Terre, car le nombre d'atomes est le même. L'attraction gravitationnelle de la Terre, en revanche, diminue à mesure que vous vous éloignez de la Terre. Par conséquent, vous pouvez perdre du poids en modifiant votre altitude, mais votre masse reste la même. Vous pouvez également perdre du poids en vivant sur la lune, mais encore une fois, votre masse est la même.

La masse est importante pour calculer la vitesse à laquelle les choses s'accélèrent lorsque nous leur appliquons une force. Qu'est-ce qui détermine la vitesse à laquelle une voiture peut accélérer? Vous savez probablement que votre voiture accélère plus lentement si elle a cinq adultes à l'intérieur que si elle n'en a qu'un. Nous explorerons cette relation entre masse, force et accélération un peu plus en détail après avoir parlé de force.

SI:

Gramme (g)

   1 g = 0,001 kg

Kilogramme (kg)

   1 kg = 2,2 lbm

1 kg = 0,0685 limace

Anglais:

Masse livre (lbm)

   1 lbm = 0,4536 kg

Limace (limace)

   1 limace = 14,5939 kg

Un type de Obliger que tout le monde connaît, c'est le poids. C'est la quantité de force que la Terre exerce sur vous. Il y a deux choses intéressantes à propos de cette force:

• Il vous tire vers le bas, ou, plus exactement, vers le centre de la Terre.
• C'est proportionnel à votre masse. Si vous avez plus de masse, la Terre exerce une plus grande force sur vous.

Lorsque vous montez sur un pèse-personne, vous exercez une force sur la balance. La force que vous appliquez à l'échelle comprime un ressort, qui déplace l'aiguille. Lorsque vous lancez une balle de baseball, vous appliquez une force sur la balle, ce qui la fait accélérer. Un moteur d'avion crée une force qui pousse l'avion dans les airs. Les pneus d'une voiture exercent une force sur le sol, ce qui la pousse.

Causes de force accélération. Si vous appliquez une force sur une petite voiture (par exemple, en poussant dessus avec votre main), elle commencera à bouger. Cela peut paraître simple, mais c'est un fait très important. Le mouvement de la voiture est régi par Deuxième loi d'Isaac Newton, qui forme la base de la mécanique classique. La deuxième loi de Newton stipule que le l'accélération (a) d'un objet est directement proportionnelle à la force (F) appliquée, et inversement proportionnelle à la masse de l'objet (m). Autrement dit, plus vous appliquez de force à un objet, plus le taux d'accélération est élevé; et plus l'objet a de masse, plus le taux d'accélération est faible. La deuxième loi de Newton est généralement résumée sous forme d'équation:

a = F / m, ou F = ma

Pour honorer la réalisation de Newton, l'unité de force standard du système SI a été nommée newton. Un newton (N) de force suffit pour accélérer 1 kilogramme (kg) de masse à un taux de 1 mètre par seconde au carré (m / s²). En fait, c'est vraiment ainsi que la force et la masse sont définies. UNE kilogramme est la quantité de poids à laquelle 1 N de force accélérera à une vitesse de 1 m / s². Dans les unités anglaises, un limace est la quantité de masse que 1 livre de force accélérera à 1 pi / s², et un livre masse est la quantité de masse que 1 lb de force accélérera à 32 pieds / s².

La Terre exerce une force suffisante pour accélérer les objets qui tombent à une vitesse de 9,8 m / s², ou 32 pieds / s². Cette force gravitationnelle est souvent appelée g dans les équations. Si vous laissez tomber quelque chose d'une falaise, chaque seconde de chute accélère de 9,8 m / s. Donc, s'il tombe pendant cinq secondes, il atteindra une vitesse de 49 m / s. C'est un taux d'accélération assez rapide. Si une voiture accélérait aussi rapidement, elle atteindrait 60 miles par heure (97 km / h) en moins de trois secondes!

SI:

newton (N)

   1 N = 0,225 livre

Anglais:

Livre (lb)

   1 livre = 4,448 N

Habituellement, lorsque nous parlons de force, il y a plus d'une force impliquée, et ces forces sont appliquées dans des directions différentes. Regardons un schéma d'une voiture. Lorsque la voiture est immobile, la gravité exerce une force descendante sur la voiture (cette force agit partout sur la voiture, mais pour plus de simplicité, nous pouvons attirer la force au centre de masse de la voiture). Mais le sol exerce une force ascendante égale et opposée sur les pneus, de sorte que la voiture ne bouge pas.

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Figure 1. Animation des forces sur une voiture

Lorsque la voiture commence à accélérer, de nouvelles forces entrent en jeu. Les roues arrière exercent une force contre le sol dans une direction horizontale; cela fait que la voiture commence à accélérer. Lorsque la voiture se déplace lentement, presque toute la force sert à accélérer la voiture. La voiture résiste à cette accélération avec un Obliger qui est égal à son Masse multiplié par son accélération. Vous pouvez voir dans Figure 1 comment la flèche de force commence grand parce que la voiture accélère rapidement au début. Au fur et à mesure qu'il commence à bouger, l'air exerce une force contre la voiture, qui grossit à mesure que la voiture prend de la vitesse. Cette force de traînée aérodynamique agit dans la direction opposée de la force des pneus, qui propulse la voiture, elle se soustrait donc à cette force, laissant moins de force disponible pour l'accélération.

Finalement, la voiture atteindra sa vitesse de pointe, point auquel elle ne pourra plus accélérer. À ce stade, la force motrice est égale à la traînée aérodynamique et aucune force n'est laissée pour accélérer la voiture.

Couple est un force qui a tendance à tourner ou à faire tourner les choses. Vous générez un couple à chaque fois que vous appliquez une force à l'aide d'une clé. Le serrage des écrous de roue sur vos roues en est un bon exemple. Lorsque vous utilisez une clé, vous appliquez une force sur la poignée. Cette force crée un couple sur l'écrou de roue, qui a tendance à faire tourner l'écrou de roue.

Les unités anglaises de couple sont la livre-pouce ou la livre-pied; l'unité SI est le Newton-mètre. Notez que les unités de couple contiennent une distance et une force. Pour calculer le couple, il vous suffit de multiplier la force par la distance du centre. Dans le cas des écrous de roue, si la clé mesure un pied de long et que vous y mettez 200 livres de force, vous générez un couple de 200 livres-pied. Si vous utilisez une clé de 2 pieds, il vous suffit de mettre 100 livres de force dessus pour générer le même couple.

Un moteur de voiture crée un couple et l'utilise pour faire tourner le vilebrequin. Ce couple est créé exactement de la même manière: une force est appliquée à distance. Examinons de près certaines des pièces du moteur:

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Figure 2. Comment le couple est généré dans un cylindre d'un moteur à quatre temps

La combustion du gaz dans le cylindre crée une pression contre le piston. Cette pression crée une force sur le piston, qui le pousse vers le bas. La force est transmise du piston à la bielle et de la bielle au vilebrequin. Dans Figure 2, notez que le point où la bielle se fixe au vilebrequin est à une certaine distance du centre de l'arbre. La distance horizontale change à mesure que le vilebrequin tourne, de sorte que le couple change également, car couple équivaut à Obliger multiplié par distance.

Vous vous demandez peut-être pourquoi seule la distance horizontale est importante pour déterminer le couple de ce moteur. Vous pouvez voir sur la figure 2 que lorsque le piston est en haut de sa course, la bielle pointe tout droit vers le bas au centre du vilebrequin. Aucun couple n'est généré dans cette position, car seule la force qui agit sur le levier dans une direction perpendiculaire au levier génère un couple.

Si vous avez déjà essayé de desserrer des écrous de roue très serrés sur votre voiture, vous savez qu'un bon moyen de créer beaucoup de couple est de positionner la clé de manière à ce qu'elle soit horizontale, puis de vous tenir au bout de la clé - de cette façon vous appliquez tout votre poids à une distance égale à la longueur de la clé. Si vous deviez positionner la clé avec la poignée pointée vers le haut, puis vous tenir debout sur le dessus de la poignée (en supposant que vous puissiez garder votre équilibre), vous n'auriez aucune chance de desserrer l'écrou de roue. Vous pourriez aussi bien vous tenir directement sur l'écrou de roue.

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Figure 3. Essai au dynamomètre simulé de deux moteurs différents

Cliquez sur ici pour la grande version.

figure 3 indique le couple et la puissance maximum générés par deux moteurs différents. Un moteur est un moteur diesel turbocompressé Caterpillar C-12. Ce moteur pèse environ 2000 livres et a une cylindrée de 732 pouces cubes (12 litres). L'autre moteur est un moteur Ford Mustang Cobra hautement modifié, d'une cylindrée de 280 pouces cubes (4,6 litres); il a un compresseur supplémentaire et pèse environ 400 livres. Ils produisent tous deux un maximum d'environ 430 chevaux (ch), mais un seul de ces moteurs convient pour tirer un camion lourd. La raison réside en partie dans la courbe puissance / couple indiquée ci-dessus.

Lorsque l'animation s'arrête, vous pouvez voir que le moteur Caterpillar produit 1 650 lb-pi de couple à 1200 tr / min, soit 377 ch. À 5600 tr / min, le moteur Mustang développe également 377 chevaux, mais il ne produit que 354 lb-pi de couple. Si vous avez lu l'article sur les rapports de démultiplication, vous pensez peut-être à un moyen d'aider le moteur Mustang à produire le même couple de 1650 lb-pi. Si vous mettez une réduction de vitesse de 4,66: 1 sur le moteur Mustang, la vitesse de sortie serait (5600 / 4,66 tr / min) 1200 tr / min, et le couple serait (4,66 * 354 lb-pi) 1650 lb-pi - exactement le identique au gros moteur Caterpillar.

Maintenant, vous vous demandez peut-être pourquoi les gros camions n'utilisent-ils pas de petits moteurs à essence au lieu de gros moteurs diesel? Dans le scénario ci-dessus, le gros moteur Caterpillar roule à 1 200 tr / min, gentil et lent, produisant 377 chevaux. Pendant ce temps, le petit moteur à essence hurle à 5 600 tr / min. Le petit moteur à essence ne durera pas très longtemps à cette vitesse et à cette puissance. Le gros moteur de camion est conçu pour durer des années et pour parcourir des centaines de milliers de kilomètres chaque année, il dure.

SI:

Newton mètre (Nm)

   1 Nm = 0,737 lb-pi

Anglais:

Livre-pouce (lb-in)

   1 lb-po = 0,113 Nm

Livre-pied (lb-pi)

   1 lb-pi = 1,356 Nm

le travail nous parlons ici de travail au sens physique. Pas le travail à domicile, ni les tâches ménagères, ni votre travail ou tout autre type de travail. C'est du bon vieux travail mécanique.

Le travail est simplement le application d'une force sur une distance, avec une seule prise - la distance ne compte que si elle est dans la direction de la force que vous appliquez. Soulever un poids du sol et le mettre sur une étagère est un bon exemple de travail. La force est égale au poids de l'objet et la distance est égale à la hauteur de l'étagère. Si le poids était dans une autre pièce et que vous deviez le ramasser et traverser la pièce avant de le mettre sur l'étagère, vous n'avez pas fait plus de travail que si le poids reposait sur le sol directement sous l'étagère. Vous avez peut-être eu l'impression de faire plus de travail, mais pendant que vous marchiez avec le poids, vous vous déplaçiez horizontalement, tandis que la force du poids était verticale.

Votre voiture fonctionne également. Lorsqu'il est en mouvement, il doit appliquer une force pour contrer les forces de frottement et de traînée aérodynamique. S'il monte une colline, il fait le même genre de travail que lorsque vous soulevez un poids. Cependant, quand il redescend la colline, il récupère le travail qu'il a fait. La colline aide la voiture à descendre.

Le travail est une énergie qui a été utilisée. Lorsque vous travaillez, vous utilisez de l'énergie. Mais parfois, l'énergie que vous utilisez peut être récupérée. Lorsque la voiture monte la pente, le travail qu'elle fait pour atteindre le sommet l'aide à redescendre. Le travail et l'énergie sont étroitement liés. Les unités de travail sont les mêmes que les unités d'énergie, dont nous parlerons plus tard.

La puissance est une mesure de la rapidité avec laquelle le travail peut être effectué. À l'aide d'un levier, vous pourrez peut-être générer un couple de 200 lb-pi. Mais pourriez-vous faire tourner ce levier 3 000 fois par minute? C'est exactement ce que fait le moteur de votre voiture.

L'unité SI pour la puissance est le watt. Un watt se décompose en d'autres unités dont nous avons déjà parlé. Un watt équivaut à 1 Newton-mètre par seconde (Nm / s). Vous pouvez multiplier la quantité de couple en Newton-mètres par la vitesse de rotation afin de trouver la puissance en watts. Une autre façon de considérer la puissance est une unité de vitesse (m / s) combinée à une unité de force (N). Si vous poussiez sur quelque chose avec une force de 1 N et qu'il se déplaçait à une vitesse de 1 m / s, votre puissance de sortie serait de 1 watt.

Un moyen intéressant de déterminer la puissance que vous pouvez produire est de voir à quelle vitesse vous pouvez monter un escalier..

1. Mesurez la hauteur d'un escalier qui vous mènera à environ trois étages.
2. Chronométrez-vous pendant que vous montez les escaliers le plus rapidement possible.
3. Divisez la hauteur des escaliers par le temps qu'il vous a fallu pour les monter. Cela vous donnera votre vitesse.

Par exemple, s'il vous a fallu 15 secondes pour courir jusqu'à 10 mètres, alors votre vitesse était de 0,66 m / s (seule votre vitesse dans le sens vertical est importante). Vous devez maintenant déterminer la force que vous avez exercée sur ces 10 mètres, et comme la seule chose que vous avez hissée dans les escaliers était vous-même, cette force est égale à votre poids. Pour obtenir la puissance que vous produisez, multipliez votre poids par votre vitesse.

Puissance (W) = (hauteur des escaliers (m) / Temps de montée (s)) * poids (N)

Puissance (ch) = [(hauteur des escaliers (pi) / Temps de montée (s)) * poids (lb)] / 550

SI:

Watts (W)

   1 000 W = 1 kW

Kilowatt (kW)

   1 kW = 1,341 ch

Anglais

Puissance (ch)

   1 ch = 0,746 kW

Énergie est le dernier chapitre de notre saga terminologique. Nous aurons besoin de tout ce que nous avons appris jusqu'à présent pour expliquer l'énergie.

Si la puissance est comme la force d'un haltérophile, l'énergie est comme son endurance. L'énergie est un mesure de combien de temps nous pouvons maintenir la puissance de sortie, ou combien de travail nous pouvons faire. La puissance est la vitesse à laquelle nous faisons le travail. Une unité d'énergie courante est le kilowattheure (kWh). Vous avez appris dans la dernière section qu'un kW est une unité de puissance. Si nous utilisons un kW de puissance, un kWh d'énergie durera une heure. Si nous utilisons 10 kW de puissance, nous utiliserons le kWh en seulement six minutes.

Il existe deux types d'énergie: potentiel et cinétique.

Énergie potentielle

Énergie potentielle est en attente d'être converti en puissance. L'essence dans un réservoir de carburant, la nourriture dans l'estomac, un ressort comprimé et un poids suspendu à un arbre sont tous des exemples d'énergie potentielle.

Le corps humain est un type de dispositif de conversion d'énergie. Il convertit la nourriture en énergie, qui peut être utilisée pour faire du travail. Un moteur de voiture convertit l'essence en énergie, qui peut également être utilisée pour effectuer des travaux. Une horloge à pendule est un appareil qui utilise l'énergie stockée dans des poids suspendus pour travailler.

Lorsque vous soulevez un objet plus haut, il gagne de l'énergie potentielle. Plus vous le soulevez haut et plus il est lourd, plus il gagne en énergie. Par exemple, si vous soulevez une boule de bowling de 1 pouce et que vous la déposez sur le toit de votre voiture, cela ne fera pas beaucoup de dégâts (veuillez ne pas essayer ceci). Mais si vous soulevez la balle de 100 pieds et la laissez tomber sur votre voiture, cela mettra une énorme bosse dans le toit. La même balle lâchée d'une plus grande hauteur a beaucoup plus d'énergie. Ainsi, en augmentant la hauteur d'un objet, vous augmentez son énergie potentielle.

Revenons à notre expérience dans laquelle nous avons monté les escaliers et découvert la quantité d'énergie que nous utilisions. Il existe une autre façon de voir comment nous calculons notre puissance: nous avons calculé la quantité d'énergie potentielle que notre corps gagnait lorsque nous l'avons élevée à une certaine hauteur. Cette quantité d'énergie était le travail que nous faisions en montant les escaliers (force * distance, ou notre poids * hauteur des escaliers). Nous avons ensuite calculé combien de temps il a fallu pour faire ce travail, et c'est ainsi que nous avons découvert la puissance. Rappelez-vous que la puissance est la vitesse à laquelle nous travaillons.

La formule pour calculer l'énergie potentielle (PE) que vous gagnez lorsque vous augmentez votre taille est:

PE = Force * Distance

Dans ce cas, la force est égale à votre poids, qui est votre masse (m) * l'accélération de la gravité (g), et la distance est égale à votre changement de hauteur (h). Ainsi, la formule peut s'écrire:

PE = mgh

SI:

Newton mètre (Nm)

   1 Nm = 1 J

Joule (J)

   1 J = 0,239 cal

Calorie (cal)

   1 cal = 4,184 J

Watt heures (Wh)

   1 Wh = 3 600 J

Kilowatt heures (kWh)

   1 kWh = 1 000 Wh

   1 kWh = 3 600 000 J

1 kWh = 3 412 BTU

Anglais:

Pied - livre (ft lb)

   1 pied-livre = 1,356 Nm

Unité thermique britannique (BTU)

   1 BTU = 1 055 J

   1 BTU = 0,0002931 kWh

L'énergie cinétique est énergie de mouvement. Les objets en mouvement, comme les montagnes russes, ont une énergie cinétique (KE). Si une voiture s'écrase contre un mur à 5 mi / h, elle ne devrait pas faire beaucoup de dégâts à la voiture. Mais s'il heurte le mur à 40 mph, la voiture sera probablement totalisée.

L'énergie cinétique est similaire à l'énergie potentielle. Plus l'objet pèse, et plus il se déplace rapidement, plus il a d'énergie cinétique. La formule pour KE est:

KE = 1/2 * m * v²

où m est la masse et v est la vitesse.

L'une des choses intéressantes à propos de l'énergie cinétique est qu'elle augmente avec la vitesse au carré. Cela signifie que si une voiture roule deux fois plus vite, elle a quatre fois plus d'énergie. Vous avez peut-être remarqué que votre voiture accélère beaucoup plus rapidement de 0 mph à 20 mph qu'elle ne le fait de 40 mph à 60 mph. Comparons la quantité d'énergie cinétique requise à chacune de ces vitesses. À première vue, vous pourriez dire que dans chaque cas, la voiture augmente sa vitesse de 20 mi / h, et donc l'énergie requise pour chaque augmentation doit être la même. Mais ce n'est pas le cas.

Nous pouvons calculer l'énergie cinétique nécessaire pour passer de 0 mph à 20 mph en calculant la KE à 20 mph, puis en soustrayant la KE à 0 mph de ce nombre. Dans ce cas, ce serait 1/2 * m * 20² - 1/2 * m * 0². Parce que la deuxième partie de l'équation est 0, la KE = 1/2 * m * 20², ou 200 m. Pour la voiture allant de 40 mph à 60 mph, le KE = 1/2 * m * 60² - 1/2 * m * 40²; donc KE = 1800 m - 800 m ou 1000 m. En comparant les deux résultats, nous pouvons voir qu'il faut un KE de 1000 m pour passer de 40 mph à 60 mph, alors qu'il ne faut que 200 m pour passer de 0 mph à 20 mph.

Il existe de nombreux autres facteurs impliqués dans la détermination de l'accélération d'une voiture, comme la traînée aérodynamique, qui augmente également avec la vitesse au carré. Les rapports de démultiplication déterminent la quantité de puissance du moteur disponible à une vitesse donnée, et la traction est parfois un facteur limitant. C'est donc beaucoup plus compliqué que de simplement faire un calcul d'énergie cinétique, mais ce calcul aide à expliquer la différence des temps d'accélération.

Maintenant que nous connaissons l'énergie potentielle et l'énergie cinétique, nous pouvons faire des calculs intéressants. Voyons à quelle hauteur un sauteur à la perche pourrait sauter s'il avait une technique parfaite. Nous allons d'abord déterminer son KE, puis nous calculerons à quelle hauteur il pourrait sauter s'il utilisait tout ce KE pour augmenter sa taille (et donc son PE), sans rien perdre. S'il a converti tous ses KE en PE, alors nous pouvons résoudre l'équation en les mettant égaux les uns aux autres:

1/2 * m * v² = m * g * h

Puisque la masse est des deux côtés de l'équation, nous pouvons éliminer ce terme. Cela a du sens parce que KE et PE augmentent avec l'augmentation de la masse, donc si le coureur est plus lourd, ses PE et KE augmentent tous les deux. Nous allons donc éliminer le terme de masse et réorganiser un peu les choses à résoudre pour h:

1/2 * v² / g = h

Disons que notre sauteur à la perche peut courir aussi vite que n'importe qui dans le monde. À l'heure actuelle, le record du monde du 100 m est un peu moins de 10 secondes. Cela donne une vitesse de 10 m / s. On sait aussi que l'accélération due à la pesanteur est de 9,8 m / s². Alors maintenant, nous pouvons résoudre la hauteur:

1/2 * 10² / 9,8 = 5,1 mètres

Donc, 5,1 mètres est la hauteur qu'un sauteur à la perche pourrait élever son centre de gravité s'il convertissait toute sa KE en PE. Mais son centre de gravité n'est pas au sol; il est au milieu de son corps, à environ 1 mètre du sol. Ainsi, la meilleure hauteur qu'un sauteur à la perche pourrait atteindre est en fait d'environ 6,1 mètres, soit 20 pieds. Il pourra peut-être gagner un peu plus de hauteur en utilisant des techniques spéciales, comme pousser du haut du poteau, ou faire un très bon saut avant le décollage..

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Figure 4. Animation du saut à la perche

Dans Graphique 4 vous pouvez voir comment l'énergie du sauteur à la perche change pendant qu'il fait le saut. Au début, son potentiel et son énergie cinétique sont nuls. Au fur et à mesure qu'il commence à courir, il augmente son énergie cinétique. Puis, alors qu'il plante le poteau et démarre sa voûte, il échange son énergie cinétique contre de l'énergie potentielle. Lorsque le pôle se plie, il absorbe une grande partie de son énergie cinétique, tout comme la compression d'un ressort. Il utilise ensuite l'énergie potentielle stockée dans le poteau pour élever son corps au-dessus de la barre. Au sommet de sa voûte, il a converti la majeure partie de son énergie cinétique en énergie potentielle.

Notre calcul se compare assez bien avec le record du monde actuel de 6,15 mètres, établi par Sergey Bubka en 1993.

Pour plus d'informations sur ces concepts de physique et les sujets connexes, consultez les liens sur la page suivante.

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