cours 2 Forces prof

Fred

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• Publié par: Thowying
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• Langue: Français

Extrait

Les forces

1. Modélisation des forces microscopiques réparties

Au sein de la matière, il existe des forces d’interaction microscopiques :
gravitationnelle, électromagnétique et forte.

Pour étudier le mouvement du centre d’inertie d’un solide, il est nécessaire de modéliser les forces
microscopiques réparties s’exerçant sur le solide sous forme de leur résultante.

A. Poids d’un corps
L’attraction gravitationnelle de la Terre s’exerce sur toutes les
particules atomes ou molécules constituant un corps. L’ensemble de
ces actions constitue le poids du corps.
Les caractéristiques du poids d’un corps sont :
- sa direction : la verticale du lieu ;
- son sens : vers le bas ;
- son point d’application : le centre de gravité G confondu avec
le centre d’inertie ;
L’ensemble des attractions - sa valeur P est liée à la masse par la relation :
gravitationnelles exercées sur les P = m.g
particules d’un corps est équivalent à son avec P en newton (N) ; m la masse en (kg) et g, l’intensité de la r
-1 poids P pesanteur en newton par kilogramme (N.kg )
La valeur de g dépend de la latitude et de l’attitude du lieu où se trouve le corps.
-1En France, au niveau de la mer, on prend g = 9,81 N.kg
Le poids d’un corps est représenté par un vecteur, le
r
vecteur poids P vertical, descendant, appliqué au centre de gravité G et de longueur proportionnelle à P.

B. La réaction d’un support
Modélisation :
Un corps posé sur un support peut être en équilibre. Un mobile glissant sur un support peut être freiné plus
ou moins. Un support exerce donc des forces sur tout corps avec lequel il est en contact.
r
Ces forces peuvent être représentées par une force unique. Cette force R est la réaction du support.
Exemple :
Un solide est en équilibre sur un support. Il est soumis à deux
r r
forces : P et R . D’après le principe de l’inertie, le solide étant en
équilibre, ces forces sont opposées et leurs valeurs sont égales : P
= R.
Réaction d’un support en l’absence de frottements :
Dans ce cas, la force exercée par le support est perpendiculaire au
plan du support, qu’il soit horizontal ou incliné.
r
Pour un solide en mouvement, on admet que la réaction R reste
perpendiculaire à la surface de contact.
C’est le cas par exemple d’un skieur sur une piste verglacée ou d’un
mobile autoporteur sur une table inclinée.

Sur la glace, les frottements sont négligeables. La
r
réaction R perpendiculaire à la piste, compense la r
composante P du poids qui plaque le skieur sur la piste. N
r
La composante P entraîne le skieur vers le bas. T
1 -
-
-
-

Réaction d’un support avec des frottements
Lorsqu’un solide reste en équilibre sur un plan incliné, la réaction est
alors opposée au poids et n’est donc plus perpendiculaire au support.
r
Décomposons la réaction R suivant deux directions, l’une
perpendiculaire au support et l’autre parallèle à la ligne de plus
grande pente.

r
- sur la perpendiculaire, la composante normale notée N , est dirigée
vers le haut et à pour effet d’empêcher le solide de s’enfoncer dans
r r
le support : N = P r r r rN
A l’équilibre, f = P et N = P T N
r
- sur la direction de la pente, la composante tangentielle notée f est dirigée vers le haut et à pour effet
r r
de s’opposer au glissement f = P T
r
La composante tangentielle f de la réaction modélise les forces de frottement qui s’oppose au mouvement
du solide glissant sur un support.
Les forces de frottement sont importantes quand les surfaces sont rugueuses ; elles sont plus faibles avec
des surfaces lisses et se trouvent diminuées par la lubrification ou la présence d’un coussin d’air.















Sur la neige molle, le skieur peut glisser à vitesse constante (document a). La force de frottement compense la
r
composante d’entraînement P . La somme des forces est nulle. T
r
Si la qualité de la neige est telle que la force de frottement f ne compense pas la composante d’entraînement, (
document b),la somme des forces n’est pas nulle, le skieur va de plus en plus vite.



C. Action d’un fluide sur un solide
L’action de l’air
L’action du vent sur les voiles contribue au mouvement d’un
voilier : l’ensemble des actions de l’air sur les voiles est
modélisable par une force appelée force aérodynamique.
C’est grâce aux frottements de l’air sur le parachute que ce
dernier est freiné dans sa chute.
C’est l’action de l’air sur les ailes et le fuselage d’un avion qui
lui permet de se maintenir en vol.
2 ×
r
×
Lors de l’établissement d’un record de vitesse à ski, ce sont les forces de frottement dues à l’air plutôt que
celles dues à la neige qui limitent la vitesse du skieur.
Pour économiser l’énergie en diminuant les forces de frottement exercées par l’air, on donne aux mobiles
des formes adaptées dites aérodynamiques.
L’ensemble des interactions de contact, de nature électromagnétique, entre les molécules de gaz de l’air et
la surface du mobile, peut être modélisée par une force unique, la résistance de l’air.
La poussée d’Archimède
L’ensemble des actions exercées par un liquide sur tout corps immergé est modélisé par une force unique,
r
appelée poussée d’Archimède P A

La poussée d’Archimède est :
- verticale
- ascendante
- appliquée au centre de gravité du liquide déplacé
- de valeur P égale au poids du liquide déplacé par le A
corps immergé :
P = V g A

Le poisson, lorsqu’il est immobile, n’est soumis qu’à
son poids et à la poussée d’Archimède
-3P est exprimée en newton (N) avec ρ , la masse volumique du liquide en kg.m et g, l’intensité de la A
-1pesanteur en newton par kilogramme (N.kg )
Ce résultat est vrai pour tous les fluides, liquides ou gaz. Ce qui explique le vol des ballons sondes et des
montgolfières.


2. Effets des forces
Une force peut déformer un corps
Une force peut produire des déformations. Cette propriété est souvent utilisée dans les appareils de
mesure de la valeur des forces (dynamomètres).
Une force peut maintenir un corps en équilibre
rr
Un solide en équilibre est soumis à des forces qui se compensent : F = 0 ∑
Une force peut modifier le mouvement d’un corps
La force exercée par la tête du club sur une balle de golf la projette en avant. Lors d’un match d football,
les mains du gardien de but dévient et parfois bloquent le ballon arrivant à grande vitesse.
Une force appliquée à un solide peut le mettre en mouvement ou modifier son mouvement.
Une force peut faire tourner un solide mobile autour d’un axe
Les mains du conducteur peuvent faire tourner le volant de
la voiture, le pied du cycliste peut en faire de même avec
le pédalier.
En revanche, il est impossible de faire tourner un bouton
de porte en le tirant ou en le poussant.
Une force est sans effet sur la rotation si sa direction est
parallèle ou si sa droite d’action coupe l’axe de rotation.






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