2nde. C2. Actions mécaniques

Les élèves doivent savoir
  • Savoir qu’une force s’exerçant sur un corps modifie la valeur de sa vitesse et/ou la direction de son mouvement et que cette modification dépend de la masse du corps.
  • Utiliser le principe d’inertie pour interpréter des mouvements simples en termes de forces.
  • Réaliser et exploiter des enregistrements vidéo pour analyser des mouvements.

Mise en situation

Raphaël a commencé depuis quelques semaines sa scolarité en sport étude tennis et il s’interroge sur le meilleur moyen de faire des coups spectaculaires sur le terrain. Comment effectuer un service parfait ? Comment renvoyer la balle au mieux en optimisant son effort afin de ne pas se fatiguer avant ses adversaires ? Son professeur de physique lui a dit que chaque action sur la balle met en œuvre des « forces ». Voyons ce qu’il en est.

Qu’est ce qu’une action mécanique ?

Pourquoi une balle lancée en l’air finit-elle par retomber vers le sol ? En classe de 3e nous avons vu qu’une action externe s’exerce sur cette balle : la gravitation terrestre qui l’attire vers le sol. Nous avons également vu que cette gravitation exerce une « force » nommée « poids » de l’objet. Ce poids finit inexorablement par ramener tous les objets sur le sol, à moins de les lancer vraiment très très fort pour les extraire à l’attraction terrestre.

Une action mécanique est le nom général donné en physique à toute action exercée par un objet sur un autre. Avec le poids c’est la Terre qui agit sur notre balle, ou sur tout objet qui se trouve à proximité de la Terre.

Une action mécanique peut avoir plusieurs effets sur un objet :

  • Elle peut le mettre en mouvement
  • Elle peut modifier son mouvement (trajectoire et/ou vitesse)
  • Elle peut le déformer (exemple d’une balle de tennis frappée par la raquette)

Il existe de nombreuses façon d’agir sur un objet et cette action peut se faire à distance, comme avec la gravitation ou l’attraction d’un aimant, ou par contact, comme au moment où on frappe une balle dans un sport.

Représenter l’action mécanique par une force

Il est facile de voir l’effet que peut avoir une action mécanique en regardant le mouvement d’un objet et la façon dont il a été modifié. Mais pour bien le comprendre nous avons besoin de modéliser cette action. On utilise pour cela le concept de force.

Une force est caractérisée par les éléments suivants :

  • Son point d’application : l’endroit de l’objet où elle s’exerce. Si l’action est par contact ce sera le point de contact. Si l’action est à distance on utilise généralement le centre de gravité de l’objet.
  • Sa direction (verticale, horizontale…) est la droite selon laquelle elle s’exerce
  • Son sens car chaque direction possède deux sens (haut ou bas, droit ou gauche…).
  • Son intensité qui représente sa grandeur

Comme nous l’avons vu au collège avec le poids, qui représente la force de gravité de la Terre, l’intensité (la grandeur) d’une force est exprimé en Newton (N), en hommage à Isaac Newton qui a établi les lois des mouvements en 1687.

Remarque : L’appareil qui permet de mesurer l’intensité des forces et le dynamomètre. Il est généralement constitué d’un ressort qui se déforme sous l’action de la force, car la déformation d’un ressort est proportionnelle à la force qui s’exerce sur lui. Il suffit donc de connaître le coefficient de proportionnalité entre la longueur d’un ressort et la force pour pouvoir s’en servir comme appareil de mesure.

La force est notée par la lettre F surmontée d’une flèche et suivie du couple objet qui agit / objet sur lequel on agit :

exemple : forcemath

On représentera cette force par une flèche et il est possible de représenter la longueur de cette flèche proportionnellement à la grandeur de la force afin de faciliter les comparaisons de forces par la suite :

representerforce

Bilan des forces

Il est rare qu’une seule force s’exerce sur un objet car en plus de l’attraction de la Terre il faut compter sur les frottements de l’air, la résistance des surfaces si un objet est en contact avec un autre ou l’impacte d’un pied ou d’une raquette sur une balle.

Afin d’étudier l’ensemble des actions mécaniques qui s’exercent sur un objet on peut faire un bilan graphique des forces qui s’exercent sur lui. Pour ce bilan on représente l’objet étudié et tous les « objets » qui exercent une action mécanique sur lui. Les actions par contact peuvent être représentées par une flèche pleine allant de « l’objet » qui exerce l’action vers celui sur lequel elle est exercée. Pour des actions à distance on peut utiliser des traits pointillés.

bilanforces

Dans l’exemple ci-dessus, le voilier est sur l’eau. La Terre exerce son attraction gravitationnelle mais le bateau ne coule pas car l’eau repousse le bateau, c’est la poussée d’Archimède. Enfin le voilier avance sous l’effet de la poussée du vent au contact des voiles. Les trois forces sont représentées graphiquement à droite. On notera que les trois forces ne s’appliquent pas forcément au même point sur le bateau.

Principe d’inertie

Quand un ballon est posé sur le sol, il ne se met pas à bouger tout seul. Il faut exercer une action mécanique extérieure sur lui.

inertie

Comme on le voit, il y a pourtant des forces qui s’exercent sur le ballon : l’attraction de la Terre et la résistance du sol. Mais ces deux forces se compensent car elles ont la même valeur, la même direction mais des sens opposés : on dit que la somme des forces qui s’exercent sur le ballon est nulle.

Dès le XVIIe siècle, Isaac Newton a défini cette situation sous le nom de principe d’inertie : Tout objet qui est soumis à des actions mécaniques dont la somme est nulle (ou a aucune action mécanique) reste au repos ou continue dans un mouvement rectiligne uniforme (s’il en avait un au départ).

Ainsi, un objet lancé loin de toute planète dans l’espace continuerait indéfiniment à se déplacer en ligne droite tant qu’aucune action mécanique ne vient modifier sa trajectoire.

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