Chapitre 2 : Forces, activités physiques et principe d’inertie Objectifs :
Savoir qu’une force s’exerçant sur un corps peut modifier la valeur de sa vitesse.
Modéliser une action mécanique par une force.
Savoir qu’une force s’exerçant sur un corps peut modifier la direction de son mouvement.
Réaliser et exploiter des enregistrements vidéo pour analyser le mouvement.
Savoir que la modification de la vitesse et/ou de la direction d’un objet dépend de sa masse.
Utiliser le principe d’inertie pour interpréter des mouvements simples en termes de force.
Situations de départ :
Lors d’un match de Baseball, le batteur a un rôle essentiel : le mouvement de la balle sera le résultat de l’action mécanique de la batte.
En conséquence, Comment les forces modifient-elles le mouvement d’un objet ?
Voici des gymnastes immobiles, en équilibre sur leurs agrès.
Sont-ils soumis à des actions mécaniques (forces) ? Si oui, comment se fait-il qu’ils
soient immobiles ?
But du sport : Un joueur frappe le palet avec sa crosse et tente de marquer des buts dans la cage adverse.
1/ Actions exercées sur le palet
Quelles sont, au moment où le hockeyeur frappe le palet, les actions exercées sur celui-ci ? On se place dans un référentiel terrestre : le plafond de la patinoire.
Il y a :
Des actions de contacts, exercées par les objets en contact (crosse et glace). On occultera quasiment tout le temps les frottements dus à la résistance de l’air, sauf si la vitesse est très grande.
Des actions à distance, exercées par des objets distants. Il en existe 3 types, et seulement 3 ! :
Force gravitationnelle.
Force magnétique.
Ici, le palet subit 3 actions que l’on peut résumer sous forme d’un
D
iagrammeO
bjetI
ntéraction(D.O.I)
: Les actions à distance seront représentées par des flèches en pointillés.
Les actions de contact seront représentées par des flèches pleines.
Il faut noter aussi que le palet exerce en retour une action sur la Terre, la glace et la crosse : On dit qu’il y a interaction (C’est le principe de l’action/réaction, 3ème loi de Newton).
Applications des DOI dans différents sports :
Dessins des situations DOI des objets ou personnes DOI de la personne :
DOI du skieur:
DOI du footballeur :
DOI du skater :
DOI du danseur homme :
En physique, les actions mécaniques sont très difficiles à étudier (problèmes de surfaces de contact, de formes…) : On fait donc appel à un modèle : les forces.
2/ Forces exercées sur le palet
On modélise une action par une force. Une force est représentée une flèche (en réalité, il s’agit d’un vecteur) qui possède 4 caractéristiques :
Une direction
Un sens
Une valeur (ou intensité ou norme) en newton (N) : Plus la flèche est longue, plus la valeur de la force est grande.
Un point d’application où démarre la flèche.
Bilan des forces appliquées au palet (système : palet ; référentiel : plafond de la patinoire) :
3/ Conséquence sur le mouvement
Si on laisse le palet posé sur la glace sans le frapper, le palet subit son poids
P et la réaction de la glace
R : ces deux forces se compensent parfaitement : le palet reste donc immobile.
Quand on frappe le palet, on peut donc dire que le palet est soumis à une force
F de la crosse qui peut avoir pour conséquences :
La mise en mouvement du palet s’il était immobile.
Un changement (ou pas) de sa trajectoire si le palet était en mouvement et que la force n’est pas dans la direction du mouvement. (Cf billard)
Un changement de sa vitesse (accélération ou ralentissement) si la force est dans la direction du mouvement.
Très important : Ces changements dépendent de la masse du palet : plus le palet est lourd, plus il difficile de le déplacer.
C’est ce qu’on appelle l’inertie : C’est la résistance qu’oppose un corps à sa mise en mouvement. Plus ce corps est lourd, plus il oppose de résistance et plus il est inerte.
Généralisation :
Une force qui s’exerce sur un corps :
Modifie sa vitesse.
Modifie ou pas la trajectoire du mouvement.
Nom de la force Direction Sens valeur Point d’application
Poids
P Verticale Vers le centre de la
Terre
P = 10 N Le centre d’inertie
Réaction de la glace
R Verticale Vers le haut R = 10 N Le milieu du palet en
contact avec la glace Force exercée par la
crosse F
horizontale Vers la droite F = 100 N Le bord du palet.
Mais peut aussi le déformer : c’est pour cette raison que certaines routes sont interdites aux poids lourds afin de ne pas défoncer les routes.
Application : Si on regardait d’autres sports :
Le basket et la pétanque : Cf simulation Interactive Physics sur le basket. Le ballon n’est pas soumis à des forces qui se compensent : son mouvement est parabolique et non uniforme. Plus le ballon est massique, plus il est inerte.
Lancers en athlétisme : Plus l’objet est léger, plus sa mise en mouvement est facile.
Poids (athlé) Record du monde
disque Record du monde
javelot Record du monde
Homme 7.3 kg 23.12 m 2.0 kg 74.08 m 0.82 kg 98.48 m
femme 4.0 kg 22.63 1,0 kg 76.80 m 0.60 kg 72.28 m
Lancers de balles dans différents sport : Tennis de table, tennis, pétanque. (voir vidéos)
4/ Le principe d’inertie.
Retour au hockey : Le palet est maintenant lancé sur la glace. Il n’est plus en contact avec la crosse, seulement avec la glace de la patinoire.
Nous allons supposer (ce qui n’est jamais vrai) qu’il n’y a pas de frottements entre la glace et le palet. Le palet est fabriqué en
caoutchouc vulcanisé de 2,54 cm et 7,62 cm de diamètre. Il pèse entre 156 et 170 g. Sa surface diminue très fortement les frottements avec la glace.
Système étudié : le palet.
Référentiel : terrestre, caméra située sur le plafond de la patinoire.
Bilan des forces :
Nom de la force Direction Sens valeur Point d’application
Poids
P (à distance) Verticale Vers le centre de la Terre
P = 10 N Le centre d’inertie
Réaction de la glace R (de contact)
Verticale Vers le haut R = 10 N Le milieu du palet en
contact avec la glace
Ces forces sont égales et opposées : elles se compensent et « s’annulent » mutuellement.
Vous n’êtes pas les premiers à vous poser cette question. Cela a longtemps interloqué les physiciens, pendant des millénaires.
Aristote(-384/-322) Il pensait qu’un objet ne peut être en mouvement que s’il est tiré ou poussé. Il donne pour
illustration l’image de la charrette qui ne se met en mouvement que si elle est tirée par un cheval : PAS DE MOUVEMENT SANS FORCE, l’idée est bonne mais totalement FAUSSE.
« Le corps en mouvement s'arrête quand la force qui le pousse ne peut plus agir de façon à le pousser ».
Galilée(1564/1642)
« Si un corps n'est ni poussé, ni tiré, ni ne subit une action quelconque », (ou plus brièvement si aucune force extérieure n'agit sur un corps), « il se meut »(met en mouvement) « uniformément, c'est à dire toujours avec la même vitesse le long d'une ligne droite ».
Newton(1643/1727)
« Tout corps persévère dans son état de repos (immobile) ou de mouvement rectiligne uniforme , si les forces qui s’exercent sur lui se compensent ou sont nulles ».
En effet, le palet de hockey en mouvement n’a plus besoin de force pour continuer à glisser après avoir été frappé.
Il continue sur sa lancée et c’est au contraire une force qui pourra le stopper (un joueur avec une crosse).
Galilée et Newton ont donc raison :
Voici donc l’énoncé de la première loi de Newton, dite PRINCIPE D’INERTIE qu’il faudra retenir à vie. (Un principe est une loi vérifiée par l’exactitude de ses conséquences) :
Tout corps persévère dans son état de repos ou de mouvement rectiligne uniforme si les forces exercées sur lui sont nulles ou se compensent. Un référentiel galiléen est un référentiel.
Evidemment, l’immobilité est un cas particulier de mouvement rectiligne uniforme (v = 0).
Autres énoncés équivalents :
Enoncé 1 : Si un système est immobile ou s'il est en mouvement rectiligne uniforme (c'est à dire si sa vitesse et sa direction ne varient pas), alors les forces qui s'exercent sur ce système se compensent ou sont nulles.
Enoncé 2: Si un système n'est ni immobile ni en mouvement rectiligne et uniforme (c'est à dire si sa vitesse et/ou sa direction varient), alors les forces qui s'exercent sur ce système ne se compensent pas ou sont non nulles.
Enoncé 3: Si les forces qui s'exercent sur un système se compensent, alors ce système est soit immobile ou soit en mouvement rectiligne uniforme.
Enoncé 4 : Tout point matériel isolé ou pseudo isolé est immobile ou en mouvement de translation rectiligne uniforme.
Pour notre palet, il persévèrera dans un mouvement rectiligne et uniforme et son mouvement sera modifié dès lors qu’un joueur le frappera avec une crosse.
Application : La mêlée en rugby.
Application : L’haltérophilie : (La barre+ les haltères) ont eu raison de cet haltérophile. (cf vidéo)
5/ Analyse de deux mouvements enregistrés.
Cas n°1 : Voici la « chronophotographie » du mouvement palet de hockey. Entre chaque trace s’écoute t = 20 ms.
Animation CentreIinertie trajectoire simple.swf et PrincipeInertie A.W.swf pour voir la chronophotographie.
Observations :
La trajectoire est rectiligne
La distance entre chaque point est toujours la même : la vitesse est constante et le mouvement est uniforme.
Conclusion : Le mouvement est donc rectiligne et uniforme et les forces exercées sur le palet se compensent d’après le principe d’inertie.
Cas n°2 : Chute libre d’un ballon
L’intervalle de temps entre chaque photo est de 50 ms.
Observations :
La trajectoire est rectiligne et verticale.
La vitesse augmente : le mouvement est accéléré.
Le mouvement est donc rectiligne accéléré.
Conclusion :
D’après le principe d’inertie, on peut dire que les forces exercées sur le palet ne se compensent pas : Il n’est soumis qu’à son poids P, force verticale dirigée vers le bas.
