Un modèle idéalisé en physique

J'ai entendu une fois un acronyme pour les meilleurs conseils de physique que j'ai jamais reçus: Keep It Simple, Stupid (KISS). En physique, nous avons généralement affaire à un système qui est, en réalité, très complexe. Par exemple, considérons l'un des systèmes physiques les plus faciles à analyser: lancer une balle.

Modèle idéalisé de lancer une balle de tennis

Vous lancez une balle de tennis en l'air et elle revient, et vous voulez analyser son mouvement. Est-ce complexe?

La balle n'est pas parfaitement ronde, d'une part; il a des trucs flous bizarres dessus. Comment cela affecte-t-il sa motion? Quel est le vent? Avez-vous mis un peu de spin sur le ballon lorsque vous l'avez lancé? Presque certainement. Toutes ces choses peuvent avoir un impact sur le mouvement de la balle dans les airs.

Et ce sont les plus évidents! Au fur et à mesure qu'il monte, son poids change en fait légèrement, en fonction de sa distance au centre de la Terre. Et la Terre tourne, alors peut-être que cela aura une incidence sur le mouvement relatif de la balle. Si le soleil est absent, il y a de la lumière qui frappe le ballon, ce qui peut avoir des répercussions énergétiques. Le Soleil et la Lune ont tous deux des effets gravitationnels sur la balle de tennis, alors faut-il en tenir compte? Et Vénus?

Nous voyons rapidement cette spirale hors de contrôle. Il se passe trop de choses dans le monde pour que je comprenne comment tout cela a un impact sur moi quand je lance la balle de tennis? Que pouvons-nous faire?

Utilisation en physique

En physique, un modèle (ou modèle idéalisé) est une version simplifiée du système physique qui supprime les aspects inutiles de la situation.

Une chose qui ne nous inquiète généralement pas est la taille physique de l'objet, ni vraiment sa structure. Dans l'exemple de la balle de tennis, nous la traitons comme un simple objet ponctuel et ignorons le flou. À moins que ce soit quelque chose qui nous intéresse spécifiquement, nous ignorerons également le fait qu'il tourne. La résistance à l'air est souvent ignorée, tout comme le vent. Les influences gravitationnelles du Soleil, de la Lune et d'autres corps célestes sont ignorées, tout comme l'impact de la lumière sur la surface du ballon.

Une fois toutes ces distractions inutiles supprimées, vous pouvez alors commencer à vous concentrer sur les qualités exactes de la situation que vous souhaitez examiner. Pour analyser le mouvement d'une balle de tennis, il s'agit généralement des déplacements, des vitesses et des forces de gravité impliqués.

Utiliser les soins avec les modèles idéalisés

La chose la plus importante pour travailler avec un modèle idéalisé est de assurez-vous que les choses que vous retirez sont des choses qui sont ne pas nécessaire à votre analyse. Les fonctionnalités nécessaires seront déterminées par l'hypothèse que vous envisagez. 

Si vous étudiez l'élan angulaire, la rotation d'un objet est essentielle; si vous étudiez la cinématique bidimensionnelle, il peut être capable de l'ignorer. Si vous lancez une balle de tennis d'un avion à haute altitude, vous voudrez peut-être tenir compte de la résistance au vent, pour voir si la balle atteint une vitesse terminale et cesse d'accélérer. Alternativement, vous voudrez peut-être analyser la variabilité de la gravité dans une telle situation, en fonction du niveau de précision dont vous avez besoin.

Lors de la création d'un modèle idéalisé, assurez-vous que les éléments que vous supprimez sont des traits que vous souhaitez réellement éliminer de votre modèle. Ignorer négligemment un élément important n'est pas un modèle; c'est une erreur.

Sous la direction d'Anne Marie Helmenstine, Ph.D.