Centre de gravité

Pourquoi les choses hautes basculent-elles ?

Penser au centre de gravité nous aide à répondre à des questions comme celle-ci. Tenez-vous droit, puis essayez de vous pencher d’un côté. Très vite, vous atteindrez un point où tout votre corps donnera l’impression d’être sur le point de basculer. Vous ne bougez pas vraiment, mais vous tournez autour de vos chevilles. Votre tête bouge plus vite que vos genoux. En fait, tout votre corps tourne autour de vos chevilles comme une roue. On pourrait penser que la gravité est quelque chose qui pousse les choses vers le bas, mais ici elle vous fait tourner en rond ! Plus tu es grand, plus tu vas tourner parce que tout ton corps agit comme un levier, aidant la force de gravité à te faire tourner.

Pour voir comment cela fonctionne, essaie d’ouvrir une porte en poussant la poignée avec un doigt. Facile, n’est-ce pas ? Lorsqu’une force pousse quelque chose qui peut pivoter librement (comme une porte sur ses charnières), cette chose va tourner au lieu de se déplacer. Essaie maintenant d’ouvrir la même porte en poussant avec un doigt près de la charnière. Cette fois, c’est beaucoup plus difficile. Plus la distance entre la force et le point de pivot est courte, plus il est difficile pour la force de faire tourner quelque chose. Les portes plus larges sont plus faciles à ouvrir que les plus étroites, car la porte entière agit comme un levier, multipliant la force que vous utilisez lorsque vous appuyez sur la poignée. Exactement de la même manière, il est beaucoup plus facile de faire basculer un objet haut que de faire basculer un objet proche du sol.

Artwork : Comment trouver le centre de gravité d’un objet : 1) Accrochez l’objet à un point de son bord et il tournera jusqu’à ce que son centre de gravité soit directement sous ce point. Suspendez un fil à plomb (un poids sur une corde) au même point. Tracez une ligne parallèle à la corde (jaune). 2) Choisissez maintenant un autre point sur le bord et répétez le processus. Tracez une autre ligne parallèle à la ficelle (verte). 3) Le centre de gravité de l’objet est le point où les deux lignes se rejoignent.

Pourquoi la gravité fait-elle basculer votre corps ?

Imaginez que votre corps n’est pas une masse unique et solide mais un énorme sac de pommes de terre qui se tient debout. La gravité s’exerce sur l’ensemble du sac, mais elle agit aussi sur chaque pomme de terre séparément, en la tirant vers le bas. Lorsque vous vous penchez d’un côté, les « pommes de terre » situées au sommet de votre corps agissent comme un levier, faisant tourner votre moitié supérieure et la faisant basculer sur vos chevilles. Plus vous vous penchez, plus l’effet de levier au sommet de votre corps est important – et plus vous êtes susceptible de basculer.

Il existe une autre façon de penser à votre poids. Oui, votre corps est un peu comme un sac de pommes de terre. Mais c’est aussi un peu comme une pomme de terre géante, pesant autant que vous et concentrée en un point infiniment petit, quelque part dans votre milieu – à peu près là où se trouve votre estomac. C’est votre centre de gravité personnel. Tant que votre centre de gravité se trouve plus ou moins au-dessus de vos pieds, votre corps sera toujours équilibré et vous ne basculerez pas. Mais commencez à vous pencher sur le côté, et tout change. Votre tête est l’une des parties les plus lourdes de votre corps, comme une pomme de terre géante perchée juste au-dessus. Si vous vous penchez vers la gauche, votre centre de gravité n’est plus directement au-dessus du point médian de vos pieds. Plus vous vous penchez, plus le couple (force de rotation) est important et plus vous risquez de basculer. La gravité fait tourner tout votre corps autour de vos chevilles comme un doigt qui pousse sur une poignée de porte.

Artwork : Tant que votre centre de gravité (étoile jaune) reste à peu près au-dessus du point médian entre vos pieds, vous restez droit, même pendant des mouvements complexes comme la marche et la danse. Mais si vous bougez trop le haut de votre corps dans une direction, vous créerez une force de rotation (vert) qui aura tendance à vous faire pivoter. Pour rester debout, tu devras déplacer une autre partie de ton corps et créer une force d’équilibre (flèche jaune) pour annuler la force de rotation initiale.

Quelle est la meilleure façon de s’équilibrer ?

Plus ton centre de gravité est bas, plus il est facile de garder ton équilibre.Si tu es assis sur une chaise, tu peux te pencher davantage que si tu es debout. Lorsque votre centre de gravité est bas, vous pouvez vous pencher davantage d’un côté ou de l’autre sans créer une force de rotation suffisante pour vous faire basculer. C’est pourquoi les voitures de course (et les véhicules militaires comme les Humvees)sont conçues avec des centres de gravité très bas : plus ils sont bas par rapport au sol, moins il y a de risque qu’ils se renversent, quelle que soit leur vitesse.

Photo : 1. Le Humvee de l’armée américaine (High Mobility Multipurpose Wheeled Vehicle ou HMMWV)a un centre de gravité bas, ce qui lui permet de prendre des virages à grande vitesse, en terrain difficile, avec beaucoup moins de risques de basculer.2.Malgré cela, les soldats sont entraînés à sortir d’un Hummer renversé à l’aide de ce simulateur hydraulique appelé HEAT (HMMWV Egress Assistance Trainer), qui fait tourner une maquette de l’habitacle du Hummer afin que les soldats puissent s’entraîner à sortir dans diverses conditions difficiles, y compris sous l’eau.Photo Hummer par le sergent Alex Snyder, photo HEAT par le sergent Travis Zielinski, toutes deux avec l’aimable autorisation de l’armée américaine.

Les funambules utilisent une astuce légèrement différente pour maîtriser leur centre de gravité. Si vous avez déjà observé un funambule, vous aurez remarqué qu’ils ne se contentent jamais de marcher sur la corde. Certains tendent leurs bras ou portent un long bâton ou un parapluie. D’autres s’accroupissent ou se mettent à genoux. D’autres encore font du vélo avec des poids suspendus sous eux. Ces aides à l’équilibre permettent aux funambules de mieux contrôler leur centre de gravité. S’ils parviennent à maintenir leur centre de gravité directement au-dessus de la corde à tout moment, ils ne tomberont jamais. S’ils commencent à se déplacer d’un côté, une force de rotation les fera basculer dans cette direction. Ils doivent donc rapidement déplacer une partie de leur corps vers l’autre côté pour créer une force de rotation dans la direction opposée et rétablir leur équilibre.

Photo : Il est facile de tomber d’un vélo normal, où votre poids s’équilibre sur une roue très fine et où même de légers mouvements d’un côté à l’autre peuvent vous faire basculer. Il est presque impossible de tomber d’un vélo couché (un comme celui-ci, où vous vous allongez), car votre centre de gravité est presque au niveau du sol.Photo de Charles M. Bailey avec l’aimable autorisation de l’armée américaine.

L’inertie (la tendance qu’ont les objets immobiles à rester immobiles et les objets en mouvement à rester en mouvement) aide aussi. Un funambule pèse assez lourd. Cela signifie qu’ils ont une certaine inertie et qu’il faut pas mal de temps pour que leur corps se déplace d’un côté ou de l’autre. S’il se sent basculer, il a suffisamment de temps pour déplacer une autre partie de son corps (ou un bâton ou un parapluie qu’il porte) vers l’autre côté. Cela produit une force de basculement dans la direction opposée qui maintient l’équilibre. En regardant un funambule qui est momentanément immobile, on pourrait penser qu’aucune force n’agit, mais c’est faux. La gravité agissant sur le bras gauche du funambule va essayer de le faire pencher vers la gauche, tandis que le poids de son bras droit va le faire pencher vers la droite. Le marcheur reste parfaitement droit, parfaitement immobile lorsque toutes les différentes forces de rotation sont exactement équilibrées et s’annulent les unes les autres.

En quoi cela aide-t-il de connaître le centre de gravité ?

Photo : Les ours marchent parfois sur leurs pattes arrière, mais il est plus rapide, plus facile et plus sûr de marcher à quatre pattes – car leur centre de gravité est plus bas et ils ne peuvent pas basculer.Photo d’Erich Regehr avec l’aimable autorisation de US Fish & Wildlife Service.

Si vous êtes sceptique, vous pouvez penser que la science est pleine de bribes d’informations inutiles que vous n’avez jamais vraiment besoin de connaître, mais le centre de gravité n’en fait pas partie. L’hiver dernier, la ruelle où j’habite a complètement gelé et s’est transformée en une plaque de glace. Quelle est la meilleure façon de marcher dans une rue gelée ? En supposant que vous n’ayez pas de chaussures d’alpinisme, le moyen le plus sûr est de vous mettre à quatre pattes et de ramper, comme un ours polaire, sur les mains et les genoux. Vous risquez de vous mouiller ou de vous salir, mais vous ne risquez pas de tomber et de vous casser le cou. Si vous faites en sorte que votre centre de gravité soit très bas, il est impossible de tomber.

Photo : Centre de gravité bas : la technique de saut en hauteur appelée Fosbury Flop, illustrée ici, fonctionne en maintenant votre centre de gravité si bas qu’il passe sous la barre. Photo de Matthew L. Romano, avec l’aimable autorisation de l’US Navy.

Penser au centre de gravité est également essentiel pour pratiquer efficacement de nombreux sports. Tout ce qui implique l’équilibre – à peu près tous les sports, du patinage artistique au surf – implique de réfléchir à l’endroit où se trouve votre poids et à la façon de le déplacer rapidement sans utiliser trop d’énergie ou perdre le contrôle. Vous avez remarqué comment les joueurs de tennis plantent leurs pieds bien écartés ? Et comment les sauteurs en hauteur font des choses bizarres en enroulant leur corps autour de la perche ? Tout ce genre de choses est basé sur la compréhension du centre de gravité – et sur sa mise en pratique !

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