5 Les forces sont des grandeurs vectorielles.

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1 5 Les forces sont des grandeurs vectorielles. Tu dois devenir capable de : Savoir expliquer comment on peut établir l existence du principe d inertie ; citer le principe d inertie ; expliquer pourquoi on doit dire que les forces sont des grandeurs vectorielles ; montrer comment on pourrait mesurer des forces en utilisant un corps déformable étalon. Savoir faire mesurer des forces en utilisant la déformation d un élastique; interpréter certaines situations physiques (spectromètre de masse, patineur dans le métro,...) en montrant comment s applique le principe d inertie. inertie vecteur forces MEC5.DOC

2 1.Les forces sont des grandeurs vectorielles. Charge = P l élastique l 1 l 2 = 2. l Les forces peuvent se mesurer par la déformation des corps qu elles provoquent. Suspendre un élastique à une fixation et mesurer sa longueur: soit «l» cette longueur. A cette élastique, fixer une charge quelconque et mesurer l allongement de l élastique; soit?l 1 cet allongement. Doubler la charge en accrochant une charge deux fois plus grande et mesurer le nouvel allongement de l élastique; soit?l 2 cet allongement. Charge = 2.P sont directement proportionnels 1. La mesure montre que?l 2 = 2.?l 1. La force exercée sur l élastique et l allongement de l élastique 1.2.Application. 1. Que se passe-t-il quand on soumet un patineur à une force exercée par un élastique peu tendu? Dès qu il n est plus soumis à aucune autre force que celle de l élastique, le patineur est mis en mouvement. Comme la force exercée par l élastique peu tendu est assez faible, l accélération obtenue est assez faible. 2. Que se passe-t-il quand l élastique est fortement tendu? Dans ce cas, on obtient une mise en mouvement avec une accélération plus grande. forte accélération élastique très tendu l élastique permet d estimer la grandeur de la force obtenue. élastique peu tendu faible accélération On peut donc conclure que : plus la force exercée par l élastique est grande, plus l accélération du patineur sera grande. Comment peut-on estimer la grandeur de la force exercée par l élastique? Si l élastique est fortement tendu, il est très allongé ; si l élastique est faiblement tendu, il est peu allongé. La mesure de la longueur de 1 Dans la mesure où la charge n est pas trop importante MECA3.WP5

3 On pourrait convenir d un élastique étalon (comme il existe un mètre étalon) qui permettrait de déterminer l intensité de n importe quelle force. On ferait s exercer cette force sur l élastique étalon et on mesurerait son allongement ; celui-ci serait d autant plus grand que la force est grande. Dans la réalité, pour des raisons pratiques, on a préféré utiliser l allongement d un ressort pour juger de l intensité d une force ; l appareil contenant un ressort déformable et qui permet de mesurer les forces est appelé dynamomètre. 1.3.Les forces s additionnent comme des grandeurs vectorielles. Mesurer les angles et les allongements des élastiques dans les quatre cas illustrés ci-dessous. L élastique inférieur est soumis à une force telle que son allongement est de 4 cm. l 1 l 2 30 l 2 l 3 45 l 3 l 4 60 l 4 l = 4cm En mesurant les allongements, on mesure les forces. Peut-on affirmer que -?l =?l 1 +?l 1? La somme des forces n est pas une somme scalaire. En dessinant les grandeurs et les orientations des vecteurs, vérifier graphiquement que les allongements s additionnent comme des vecteurs. - l = l + l ' - l = l + l ' De petites différences avec la situation idéale d addition vectorielle sont fort probables étant donné la faible précision des mesures et la trop grande idéalisation de la situation. Dans tous les cas, il est évident que l addition des forces n est pas scalaire. Les forces sont des grandeurs vectorielles. Il ne suffit pas de préciser l intensité d une force, il faut encore indiquer dans quelle direction elle s exerce pour donner assez de renseignements. Les forces s additionnent de manière vectorielle. MEC5.DOC

4 2.Comment modifier l état de mouvement d un objet? 2.1.Comment mettre un objet en mouvement? On pose une boule de pétanque sur un sol plat et parfaitement lisse. Comment peut-on faire pour mettre cette boule en mouvement? Il existe de nombreuses méthodes, mais dans tous les cas, il faut faire intervenir une force pour la mettre en mouvement : la pousser avec la main : force musculaire; souffler dessus : force du vent; la shooter avec le pied : force musculaire; utiliser un aimant : force magnétique;... Force Au repos 2.2.Que se passe-t-il quand l objet est en mouvement? Au bout d un temps plus ou moins long, tout objet laissé en mouvement sans intervention extérieure finit toujours par s arrêter. Pour quelle raison? La boule de pétanque en mouvement subit des frottements : En mouvement de l air du support sur lequel elle roule, même si ce support est extrêmement lisse. 2.3.Comment peut-on faire pour l arrêter volontairement? Il existe, à nouveau, de nombreuses méthodes, mais dans tous les cas, il faut faire intervenir une force pour arrêter le mouvement de la boule : la bloquer avec la main souffler dessus la retenir avec un aimant.... La force utilisée pour arrêter le mouvement ne peut pas être exercée avec n importe quelle orientation ; il faut exercer une force dans le sens opposé au mouvement. air En mouvement sol Forces de frottement Au repos MEC5.DOC

5 Quand un objet au repos subit une force, il se met en mouvement. Quand un objet en mouvement subit une force dans le sens opposé à son mouvement, il s arrête. Remarque : que se passe-t-il si la boule de pétanque subit une force perpendiculairement à l orientation de son vecteur? Dans ce cas, sa trajectoire n est plus rectiligne : l orientation du vecteur change sous l effet de la force. 2.4.Que se passerait-il si aucune force n intervenait sur l objet en mouvement? On a dit plus haut que pour modifier le mouvement d un objet, il faut faire intervenir une force. Si l on n exerce aucune force sur l objet, son état de mouvement ne peut pas être modifié. Donc, un mobile en mouvement sur lequel ne s exercerait aucune force (même pas les forces de frottement) continuerait sa route sans s arrêter ni accélérer. Cette idée a été découverte il y a déjà longtemps par Galilée ; elle est connue sous le nom de principe d inertie 2. Tout corps persévère dans son état de repos ou de mouvement rectiligne uniforme tant qu aucune force ne s exerce sur lui. 2.5.Exemples d application du principe d inertie : Lors d un accident de la route, il vaut toujours mieux avoir la ceinture de sécurité bouclée : si le véhicule dans lequel on se trouve entre en collision avec un arbre, par exemple, le véhicule est arrêté très brutalement. Les passagers, par contre, continueront de se mouvoir tant qu aucune force ne s exercera sur eux. Si la ceinture est bouclée, c est elle qui exercera la force qui les retiendra ; dans le cas contraire, c est souvent le pare-brise qui arrête le mouvement vers l avant des passagers... avec les dégâts corporels que l on sait. Il peut être assez dangereux de prendre le métro avec des patins à roulettes aux pieds : au moment du démarrage de la rame, l inertie du patineur va le faire rester en place (par rapport au quai) cependant que la paroi du fond de la rame se précipite vers lui à toute! BOUM! Lors de l arrivée en station suivante, l inertie du patineur (qui a maintenant acquis la même que la rame de métro) va faire que notre sportif va continuer sa course jusqu à la rencontre avec la paroi avant de la rame! REBOUM!? L essoreuse à salade utilise également le principe d inertie. Peux-tu expliquer comment? Si l on exerce une force dans le même sens que le mouvement d un objet, ce dernier accélère ; si la force est exercée dans le sens contraire du mouvement, on observera une décélération. Si la force qui est exercée est transversale par rapport à la trajectoire, celle-ci est modifiée, courbée. Peux-tu expliquer comment ce dernier effet est mis à profit dans le spectromètre de masse? En quoi utilise-t-on le principe d inertie? 2 On dit qu'un objet a une grande inertie quand il est difficile de le mettre en mouvement; par exemple, un troupeau d'éléphants a une grande inertie. Inversement, quand un objet qui a une grande inertie est en mouvement, il est difficile de l'arrêter: imagine-toi face à un troupeau d éléphants lancés au galop!. MEC5.DOC