Chapitre 2 : Action / interaction / forces

Chapitre 2 : Action / interaction / forces

Etude d’un sport : Le Hockey sur glace

Objet étudié appelé SYSTEME: PALET Référentiel : Terrestre (bord de piste)

1/ Actions et interactions (Activité 1)

1

^ère

situation : Le palet est posé sur le sol et immobile.

1/ Quels sont les objets qui agissent sur le palet ? Il y a la glace et la Terre 2/ Sur quels objets agit le palet ? Sur la glace et la Terre, aussi.

Conclusion : On dira que le palet subit 2 actions mécaniques :

 l’action du sol

 l’action de la Terre.

En retour, le palet exerce aussi 2 actions :

 sur le sol

 et la Terre.

On dira que le PALET est en

INTERACTIONS

avec le sol et la Terre.

Plus généralement : Si un objet A agit sur un objet B, simultanément B agit sur A ; on dit que A et B sont en interaction (actions réciproques). L'action de A sur B est notée AB et l'action de B sur A est notée BA.

Cet énoncé est applicable dans toutes les situations, c'est-à-dire quand les systèmes sont au repos et aussi quand ils sont en mouvement.

Il existe 2 types d’actions et d’interactions :

 Des (inter)actions de contact qui se font par contact local avec l’objet (Ex : main, pied, ficelle, crosse, air, ficelle, ressort, frottement…)

 Des (inter)actions à distance qui se font à distance (sans contact) et qui sont réparties dans tout le volume. Il en existe 3 types :

o (inter)action gravitationnelle : exercée sur tout objet qui a une masse (ex : action gravitationnelle de la Terre = pesanteur terrestre  poids de l’objet)

o (inter)action magnétique : exercée sur tout objet « magnétique » (influencé par un aimant) o (inter)action électrique : exercée sur tout objet chargé électriquement sur un autre.

On représentera les interactions subies par un objet avec d’un

D

^iagramme

O

^bjet

I

nteractions

(D.O.I)

^:

 Les interactions à distance seront représentées par des doubles flèches en pointillés.

 Les interactions de contact seront représentées par des doubles flèches pleines.

Remarques :

On souligne ou surligne l’objet étudié.

La place des bulles (sol et Terre) autour de l’objet n’a pas d’importance.

Une action à distance est représentée par une simple flèche pointillée Une action de contact est représentée par une simple flèche pleine

Palet

Glace

Exemple 1 : Palet posé sur la glace

Exemple 2 : Palet posé sur la glace et poussé par la crosse de hockey

2/ FORCES

A/ Définitions

Dans la suite, on modélisera une action mécanique par une

FORCE

représentée par une flèche (vecteur) qui possèdent 4 caractéristiques :

 Une direction

 Une sens

 Un point d’application (origine) : soit le point de contact soit le centre de gravité G

 Une valeur (ou intensité) exprimée en NEWTON (N). La longueur de la flèche sera proportionnelle à la valeur.

Une force se mesure avec un dynamomètre.

L’action mécanique de contact sur le palet ( Ex : Crosse qui pousse le palet) sera modélisée par une force Fcrossepalet localisée sur le point de contact entre la crosse et le palet.

L’action mécanique de contact sur la pierre ( Ex : pierre suspendue à un fil) sera modélisée par une force Ffilpierre localisée sur le point de contact entre la pierre et le palet.

Palet

glace

PALET

glace

TERRE

Interaction de contact Interaction à distance

Palet

glace CROSSE

PALET glace

TERRE

CROSSE

Palet

CROSSE Point de contact

fil

support

Les actions à distance sur le palet ou la pierre seront modélisées par une force FTerrepierre ou FTerrepalet dont le point d’application sera le centre de gravité G de l’objet (centre de masse).

B/ Représentation des forces

Point Méthode : Il y a autant de que d’interactions (pour vulgariser, autant de bulles dans le DOI que de flèches) Retour sur l’exemple 1 : le palet posé sur le sol.

Retour sur l’exemple 2 : Le palet posé sur le sol et poussé par la crosse

Exemple 3 : Une pierre suspendue à un fil.

Palet glace CROSSE

F

CROSSE PALET

F

Terre PALET

F

Glace^ PALET

Palet G

G

PALET glace

TERRE

CROSSE

3 bulles autour du palet = 3 forces

Palet glace

F

Terre^ PALET

F

Glace^ PALET

PALET

glace

TERRE

2 bulles autour du palet = 2 forces

fil

support

Pierre

Pierre

FIL

TERRE

F

Fil^ Pierre

F

Terre Pierre

Quelques exemples d’actions ou forces : Force Force

d’attraction de la Terre

Force de la glace ou du sol.

Force d’une ficelle ou

ressort

Force de l’air ou

de friction du sol Force d’un aimant Force due aux charges

électriques

Description

NOM de la

force POIDS REACTION TENSION FROTTEMENTS FORCE

MAGNETIQUE

FORCE ELECTRIQUE

Caractéris- tiques

A distance Verticale vers le bas.

De contact.

Verticale, vers le haut.

De contact, Dans la direction du

mvt, sens variable

De contact, opposé au sens du mouvement

A distance, Vers l’aimant

A distance, attractif ou répulsif entre

les charges.

Autres exemples

Dessins des situations DOI des objets ou personnes Forces DOI de la personne :

DOI du skieur:

DOI du footballeur :

DOI du skater :

tension

Poids

Poids Tension

Poids

frott

Poids reaction

Poids reaction

reaction

DOI du danseur homme :

DOI de la femme danseuse

3/ Retour sur le principe des actions réciproques.

Si un objet A agit sur un objet B, B agit sur A : on dit que A et B sont en INTERACTION.

C’est le principe des ACTIONS RECIPROQUES(ou action/réaction)

Une interaction est modélisée par 2 forces de valeurs égales, de même direction et MAIS de sens opposés.

Exemple :

La lune attire la Terre avec la même force que la Terre attire la lune. La Terre attire la pomme avec la même force que la pomme attire la Terre : c’est une interaction (les forces ont la même direction, même valeur, mais un sens opposé)

20 g

F Terre

^

Lune

F Lune

^

Terre

F

ressort^ masselotte

F

masselotte ressort

F Pomme

^

Terre

F Terre

^

Pomme

Poids reaction

fille

homme

Poids

4/ Quel est l’effet des forces sur le mouvement ou l’immobilité ?

1ère situation : Le palet est posé sur la glace.

La pierre est suspendue à une fil. Une masse est suspendue à un ressort.

Un objet est en équilibre statique si les forces appliquées se compensent (elles sont opposées) : mêmes directions, mêmes valeurs mais sens opposé.

2ème situation : La crosse pousse le palet sur la glace. Une raquette de tennis frappe une balle. Un footballeur shoote dans le ballon avec son pied lors d’un coup franc. Un perchiste saute en hauteur.

Situation

Effet du vent Effet des

frottements Effet du vent

Effet sur le mouvement : trajectoire,

vitesse.

Modification de la trajectoire Vitesse diminue Vitesse augmente

Situation

Effet de l’air ventilé sur la balle.

Effet de la balle sur le cordage

Effet de la main sur la ficelle

Effet sur le mouvement

: trajectoire, Balle immobile Déformation Déformation

Les effets d’une force sur un objet peuvent être de :

 De le mettre en mouvement.

 De modifier sa trajectoire ou/et sa vitesse :

 Trajectoire modifiée si la force n’est pas parallèle à la trajectoire : la trajectoire s’incurve dans le sens et la direction de la force.

 Valeur de la vitesse modifiée si la force n’est pas perpendiculaire à la trajectoire.

Mouvement accéléré : si la force est dans le même sens que le vecteur vitesse.

Mouvement ralenti : si la force est dans le sens contraire du vecteur vitesse.

 De le déformer.

Pour aller plus loin :

3eme situation : Le palet avance sur la glace. Quel est son mouvement ? Rectiligne uniforme.

Vidéo curling

Si les forces qui s’exercent sur un corps se compensent, alors le corps a un mouvement rectiligne et uniforme.

5/ Etude du mouvement d’un aéroglisseur A/ Fabrication

Suivre les étapes suivantes pour réaliser l’aéroglisseur de votre groupe.

1/ A l'aide du pistolet à colle (attention, c’est chaud !!), collez le bouchon au centre du CD, de façon à boucher le trou central et à placer l’ouverture vers le haut. Laisser sécher.

2/ Fermez le bouchon en appuyant dessus.

3/ Gonflez le ballon et placez-le sur la partie supérieure du bouchon de liquide vaisselle.

4/ Démarrez votre aéroglisseur en ouvrant le bouchon (en tirant vers le haut la partie supérieure).

Questions :

1/ Explique en une phrase ce qui se passe quand tu ouvres le bouchon.

De l’air est propulsé sous le CD et permet de créer un coussin d’air.

2/ L’étymologie du mot permet-elle de confirmer la définition que tu viens de donner ?

« Aéro » : air , « glisseur » : glisser en suivant le sol : Donc l’aéroglisseur est un engin qui glisse sur le sol grâce à de l’air

B/ Expériences et étude vidéo

Situation 1 : l’aéroglisseur est immobile sur le sol

Situation 2 : Aéroglisseur lancé avec la main, ballon de baudruche gonflé et bouchon FERME.

Filmer le mouvement de l’aéroglisseur, lancé sur votre table (plane, horizontale et lisse).

Lancer le logiciel AVISTEP et visionner la vidéo.

Effectuer le pointage d’un point précis de l’aéroglisseur.

Complète le tableau ci-dessous donnant l’évolution de la vitesse au cours du temps :

Temps (s) 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6

V1 (m/s) 1,95 1,60 1,26 0,91 0,57 0,22 0,13

Comment peut-on qualifier le mouvement de l’aéroglisseur, après l’avoir lancé ?

Le mouvement est rectiligne ralenti car la trajectoire semble être une droite et la vitesse diminue.

Situation 3 : Aéroglisseur lancé avec la main, ballon de baudruche gonflé et bouchon OUVERT.

Filmer le mouvement de l’aéroglisseur, lancé sur votre table (plane, horizontale et lisse).

Lancer le logiciel AVISTEP et visionner la vidéo.

Effectuer le pointage d’un point précis de l’aéroglisseur.

Complète le tableau ci-dessous donnant l’évolution de la vitesse au cours du temps :

Temps

(s) 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1,1

V1 (m/s) 0,73 0,73 0,73 0,73 0,73 0,73 0,73 0,73 0,73 0,73 0,73 0,73

Comment peut-on qualifier le mouvement de l’aéroglisseur, après l’avoir lancé ?

Le mouvement est rectiligne uniforme car la trajectoire semble être une droite et la vitesse est constante.

Analyse des trois situations en terme de forces et d’interactions

Réalise les trois DOI des 3 situations puis le schéma des forces exercées sur l’aéroglisseur. Le centre de gravité sera pris au milieu du bouchon.

Situation 1 Situation 2 Situation 3

DOI

Force s

L’effet du système de soufflerie de l’aéroglisseur est donc de supprimer les forces de frottements avec le sol.

Question subsidiaire : On souhaite que l’aéroglisseur ait un mouvement circulaire uniforme. Quelle expérience proposes- tu ?Réalise la même démarche (vidéo, pointage et traitement vidéo, analyse en terme de DOI et forces…)

On accroche une ficelle à l’aéroglisseur et on le fait tourner, bouchon ouvert et ballon gonflé.

F

sol^ aero

=Réaction du sol

F

Terre^ aero =poids

F

sol^ aero

=Réaction du sol

F

Terre aero =poids

F

sol aero

=Réaction du sol

F

Terre^ aero =poids

F

frott. aero =frottements

F

sol aero

=Réaction du sol

F

Terre aero =poids

F

ficelle aero

= tension Socle fixe

aero table

TERRE

ficelle

Dans le système solaire, quels sont les corps (objets) animés d’un mouvement circulaire uniforme ? Explique pourquoi.

Ce sont les planètes autour du soleil et les satellites autour des planètes. Il existe une interaction invisible à distance entre tous les objets qui ont une masse : l’interaction gravitationnelle.

Nous allons en parler au chapitre 3 Effets des forces sur le mouvement :