10H – MEP – Forces et équilibre

Posté le 05.08.2016 |


Quelques notes historiques sur les forces

Newton (1642 – 1727)

Newton, physicien anglais, est né l’année de la mort de Galilée. Entré au Trinity College de l’université de Cambridge en 1661, il effectua ses propres recherches et enseigna alors qu’il était encore étudiant.

Son ouvrage “Philosophae naturalis principia mathematica“, paru en 1687, comporte trois sections et contient l’énoncé de la loi de la gravitation universelle et celui des trois fameuses lois de Newton.

Les trois lois de Newton fondent la mécanique classique et plus particulièrement la dynamique. Rappelons que la cinématique consiste à décrire les mouvements d’un point matériel ou d’un système de points matériels, alors que la dynamique s’intéresse aux causes de ces mouvements.

1ère loi :

Dans son énoncé original, Newton écrit « Tout corps persévère dans l’état de repos ou de mouvement uniforme en ligne droite dans lequel il se trouve, à moins que quelque force n’agisse sur lui, et ne le contraigne à changer d’état ».

En langage moderne, cela donne « Tout corps isolé qui n’est pas soumis à aucune sorte d’interaction avec d’autres objets matériels, conserve l’état de repos ou de mouvement rectiligne uniforme (MRU) qu’il possédait auparavant » ou toute autre formulation approchante.

L’énoncé moderne du principe d’inertie est : « dans un référentiel d’inertie, tout point matériel, ne subissant aucune interaction, a une vitesse constante, éventuellement nulle ». La notion de masse n’intervient pas dans l’énoncé du principe d’inertie. Cet aspect, assez peu souligné, est important en relativité générale. Le principe d’inertie est très important en physique, c’est même sans doute le plus important. Il est à l’origine de toutes les réflexions qui ont conduit à la relativité restreinte puis à la relativité générale.

2ème loi :

Dans les Principia, Newton énonce ainsi sa loi : « Les changements qui arrivent dans le mouvement sont proportionnels à la force motrice, et se font dans la ligne dans laquelle cette force a été imprimée ». C’est assez obscur !

On l’énonce en langage moderne de la façon suivante : « Dans un référentiel d’inertie, la vitesse d’un point matériel varie proportionnellement à la somme des forces extérieures qui lui sont appliquées et inversement proportionnellement à sa masse ».

3ème loi :

Son énoncé original est « l’action est toujours égale à la réaction ; c’est-à-dire que les actions de deux corps l’un sur l’autre sont toujours égales, et dans des directions contraires ».
En langage moderne, on dira que « les actions réciproques, ou action et réaction, sont des forces colinéaires, d’intensité égale et de sens contraire ».
Cette loi est un cas particulier d’un théorème plus général de la mécanique, dit « loi de la conservation de la quantité de mouvement ».

 

Objectifs :

  • Connaître le vocabulaire
  • Connaître la définition d’un vecteur (point d’application, direction, sens et norme)
  • Savoir
    • représenter des forces à l’aide de vecteurs
    • additionner géométriquement des forces
    • comprendre et savoir expliquer les trois lois de Newton
    • reconnaître et prévoir la notion d’équilibre d’un point soumis à des forces concourantes
  • Connaître les caractéristiques des forces de pesanteur, d’un ressort, de tension, de soutien et de frottement
  • Dans les cas d’équilibre, savoir décomposer des forces et déterminer des intensités :
    • à l’aide de schémas à l’échelle
    • à l’aide de la trigonométrie (forces perpendiculaires ou isométriques uniquement)
  • Comprendre la différence entre masse et force de pesanteur
  • Savoir
    • calculer l’intensité de la force de pesanteur
    • calculer l’intensité de la force de rappel d’un ressort

 

Théorie :

  • Livre “Euréka 10S” : p. 246 – 251, 253 – 256
  • notion générale sur les forces: ici
  • équilibres de forces : ici
  • ressorts en parallèle et en série : ici

 

Exercices faits en classe :

  • FE 01, 02, 03, 04, 05, 06, 07, 08, 09, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23
  • FE 25 (trouver une masse inconnue), 27, 28, 29, 32

Exercices supplémentaires :

 

Voici un petit exercice d’entraînement :

Placer correctement F3 pour que la résultante des forces appliquées en A soient R

  • il ne faut pas modifier les forces F1 et F2, et pas bouger le point A
  • on peut déplacer les copies de F1 et F2
  • il faut déplacer F3 (le point d’application et l’extrémité de la flèche)

 

“Prétest”:

Voici un test d’entraînement