Introduction à la Mécanique des APS. Gilles Dietrich.

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1 Introduction à la Mécanique des APS Gilles Dietrich

2 Format de l'enseignement 3 cours (CM) 7 TD 3 ECTS, coefficient 1.5 Évaluation Contrôle continu : 30 % (3 à 4 exercices à rendre) Contrôle terminal : 70% (épreuve écrite 1h) Rattrapage : épreuve écrite 1h

3 Description du module Expliciter les notions de mécanique simple appliquée au corps humain afin de permettre de mieux comprendre et d interpréter le contrôle du mouvement. Ce module se propose, dans un premier temps, d introduire les notions de base de la mécanique (cinématique, dynamique et énergétique).

4 But et objectifs Donner un aperçu et une introduction à la biomécanique du mouvement Donner les bases de mécanique nécessaires la compréhension du mouvement Permettre la résolution de problème simple de biomécanique et d analyse du mouvement

5 Liste de lecture Physique pour les sciences du Sport. A. Durey ; Edition Masson Analyse du mouvement humain par la biomécanique. P.Allard et J.P. Blanchi ; Décarie Editeur Biomécanique. R. Lepers et A. Martin. Editions Ellipses Biomécanique et physiologie du mouvement. S. Bouisset. Editions Masson Mécanique humaine. J. Buboy, A. Junqua et P. Lacouture ; Editions Revue EPS.

6 Ressources bibliographiques Lien sur le cours : Téléchargement du cours Téléchargement des diapos Liens privés Nom d'utilisateur : l1meca Mot de passe : newton

7 Outils nécessaires Calculette Règle Cours Lors de l'examen aussi! Cours 1 : Approche historique

8 Introduction à la Mécanique des APS Conception en mécanique

9 Mécanique des APS Pourquoi une mécanique du mouvement Sens commun, bon sens et sens physique Nécessité d avoir un «regard armé» Physique intuitive! Approche «scientifique» des phénomènes observables A quoi cela peut-il servir?

10 Conceptions en mécanique Tous apprenants n arrivent pas vierges d idées en cours de mécanique (des APS). De nombreuses études ont montré que les apprenants ont des conceptions qualifiées de sens commun qui font obstacles à l apprentissage des lois et concepts en physique

11 Conceptions en mécanique Explicitation du concept de «mécanique» Existence d une conception intuitive des phénomènes physiques Sens commun Bon sens Conceptions historiques «Sens physique»

12 Question(s) Comment décrire un mouvement (sportif) Quels sont les déterminants de ce mouvement Comment modéliser les action Quels sont les liens entre force et mouvement

13 Illustration de ces concepts Le mouvement et les forces Quelles relations entre ces deux grandeurs

14 Illustration de ces concepts Le mouvement et les forces Quelles relations entre ces deux grandeurs

15 Trajectoire d'une boule de pétanque A C B

16 Résultats de Mc Closkey, 1983 Étude auprès de lycéens et d étudiants, filières scientifiques 45% savaient qu elle continue d avancer pendant sa chute 49% pensaient qu elle tombait à la verticale à l aplomb de l endroit où on l a lâchée 6% croyaient que la balle reculait en tombant Les préjugés en physique. M. McCloskey, Pour la Science n 68, juin 1983, p

17 Théorie de l'impetus Thèse : "on croit que les lois de Newton ( ) sont bien assimilées mais des tests indiquent le contraire : beaucoup de gens pensent que le déplacement des corps obéit à d'autres lois. La tendance des personnes interrogées est de suivre une théorie. formulée par Jean Buridan ( ), trois siècles avant Newton". A. Thèse de Buridan [ ] : l'impétus "Quand une personne met un corps en mouvement elle lui communique un certain impétus, c'est-à-dire une certaine force le rendant capable de se déplacer dans la direction où la personne l'a engagé : vers le haut, vers le bas, sur le côté ou bien en cercle. C'est grâce à cet impétus qu'une pierre continue à se mouvoir après que le lanceur à cessé de l'accompagner ".

18 Origine de l'impétus Aristote (4 siècles avant JC) Les mouvements inanimés ont deux types de mouvement le mouvement naturel: les corps lourds se dirigent vers le centre de la Terre, les corps légers se dirigent vers le haut. Le mouvement violent: Pb: pourquoi un objet lancé continue son mouvement?

19 L'impétus... Avicenne (XIième siècle) Un projectile se déplace en ligne droite dans la direction imprimée au départ jusqu à ce que l impetus initialement transmis soit entièrement dépensé ; le projectile marque alors un temps d arrêt, puis son poids naturel lui fournit un impetus vertical qui le fait tomber droit vers le sol.

20 L'impétus... Jean Buridan (Xième siècle) Quand une personne met un corps en mouvement, elle lui communique un certain impétus, c est à dire une certaine force le rendant capable de se déplacer dans la direction où la personne l a engagé : vers le haut, le bas, sur le côté ou bien en cercle. C est grâce à cet impétus qu une pierre continue à se mouvoir après que le lanceur a cessé de l accompagner.

21 Conséquences de la théorie de l'impétus Conceptions mécaniques erronées : Relativité du mouvement : non équivalence entre le repos et le mouvement Confusion entre position, vitesse accélération Tendance à considérer que les forces se transmettent par l intermédiaire des objets Tendance à considérer la force comme une propriété intrinsèque d un objet Tendance à considérer que seuls les agents actifs, les êtres vivants peuvent exercer une force

22 Lois de la mécanique Galilée : études expérimentales (1590) Chute des corps Relativité du mouvement (cf. «pétanque») Descartes : première formulation du principe d inertie (XVIIième siècle ) en l absence de forces, un corps au repos reste au repos, un corps ayant déjà une vitesse continue sa marche en ligne droite et sa vitesse ni varie ni en direction, ni en sens, ni en valeur 1687: Newton publie les Principia Mathematica (le premier = principe d inertie)

23 Conception mécanique... On fait tourner une balle au bout d un fil. On la lâche. 3 trajectoire proposées : 1. Mouvement circulaire 2. trajectoire rectiligne tangentielle 3. trajectoire rectiligne normale Test avec étudiants, lycéens 1 51% tracent une trajectoire post-rupture correcte 30% pensent que le mouvement circulaire persiste et que la trajectoire est courbe 19% donnent d autres réponses incorrectes 2 3

24 Un autre exemple Une pièce de monnaie est lancée à partir d'un point A en ligne droite dans l'air et rattrapée à un point E. Sur la ligne de gauche du dessin, tracer une ou plusieurs flèches montrant la direction de chaque force qui agit sur la pièce quand elle est au point B (trace des flèche plus longues pour des forces plus grandes) J. Clement (cité par L. McDermott ou voir American Journal of Physics (1982, 50, 66-71). Réponse typique: «Quand la pièce monte, la "force de la main" diminue à mesure qu'elle fait déplacer la pièce. Quand la pièce de monnaie monte cette force doit être plus grande que FG, sinon la pièce descendrait.»

25 Conception Si dans la question le mouvement est observé ou présenté sous forme d'un diagramme (directement accessible) deux cas se présentent : il y a compatibilité entre force et vitesse (force et vitesse de même sens ou les deux nulles), alors l'étudiant répond correctement (la force agit sur la masse); il n'y a pas compatibilité, alors l'élève propose une "force de la masse" (et non agissant sur), elle est alors proportionnelle à la vitesse (L. Viennot : "capital force"). Ce capital force est étiqueté de façons très diverses : force-élaninertie-énergie. Il est la cause du mouvement, stocké dans l objet en mouvement, et s use en même temps que son effet (le mouvement).

26 Changement conceptuel - Dykstra (1992)

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