Chapitre 10. Forces et mouvement dans le sport. I- Les actions mécaniques. II- Le principe de l Inertie. 1)- Exemple :

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1 Chapitre 10 Forces et mouvement dans le sport I- Les actions mécaniques. 1)- Exemple : 2)- Modélisation des actions mécaniques. 3)- Schéma de la situation. 4)- Effet d une force sur le mouvement. II- Le principe de l Inertie. 1)- Peut-il y avoir mouvement sans force? 2)- Le principe de l Inertie. 3)- Retour sur l exercice précédent : III- Application. Correction des Exercices 1)- QCM : indiquer la ou les bonne(s) réponse(s). QCM réalisé avec Questy 2)- Exercice 3 page 254 : Lancer du «poids». 3)- Exercice 5 page 254 : Billard. 4)- Exercice 7 page 256 : Le 100 mètres féminin. 5)- Exercice 12 page 256 : Le mascaret. 6)- Exercice 13 page 256 : Le temps de pose d un appareil photo. 7)- Exercice 16 page 258 : Étude du lancer de balle. 1

2 I- Les actions mécaniques. 1)- Exemple : - Cas d un ballon, de masse m = 450 g, posé sur le sol et percuté par le pied du footballeur (g = 10 N / kg). Question : Quelles sont les actions mécaniques que subit le ballon à l instant de l impact? - Le système étudié est le ballon. - Tout ce qui ne constitue pas le système est appelé milieu extérieur au système extérieur. - Le ballon est immobile sur le sol et il est frappé par le pied du footballeur. Ici, on négligera l action de l air sur le ballon. Faire le bilan des actions mécaniques exercées par le milieu extérieur sur le ballon : - Le ballon est en interaction avec la Terre. La Terre attire le ballon, c est une action à distance répartie sur le volume du ballon. - Le ballon est en interaction avec le sol. Le sol empêche le ballon de s enfoncer dans le sol. Il empêche le ballon de tomber. C est une action de contact qui est répartie sur la surface de contact entre le ballon et le sol. - Le ballon est en interaction avec le pied (la chaussure) du footballeur. Le pied pousse le ballon. C est une action de contact qui est répartie sur la surface de contact entre le ballon et le pied. Remarque : - Les actions mécaniques à prendre en compte sont toutes des actions exercées par le milieu extérieur sur le système étudié. - Lorsque le système est en mouvement rapide, il faut tenir de l action de l air sur le système. 2

3 2)- Modélisation des actions mécaniques. - Une action mécanique localisée exercée par un objet A sur un autre objet B peut être modélisée par une force. - Cette force est représentée par un segment fléché, appelé vecteur force noté : Caractéristiques : - L origine : point d application de la force, point où l on considère que la force s exerce. - La direction et le sens sont ceux de la force. - La longueur du représentant est proportionnelle à la valeur de la force. - L unité de force est le Newton (N). - La valeur d une force se mesure à l aide d un dynamomètre. Remarque : - Sur un schéma, une force est représentée par un segment fléché, appelé vecteur. - Pour simplifier, on représente le système étudié par un point (le plus souvent, on prend le centre d inertie G du système). - Les forces exercées par le milieu extérieur sur le système sont alors représentées à partir de ce point. - Lorsque la valeur de la force est connue, la longueur du segment fléché est proportionnelle à cette valeur. - Pour ce faire, on utilise une échelle : exemple : 1 cm 1 N. 3)- Schéma de la situation. - Poids du ballon : P = m. g 4,5 N. - Lorsque la valeur de la force n est pas connue (ici c est le cas de l action du pied sur le ballon), on donne une longueur approximative. 3

4 4)- Effet d une force sur le mouvement. - Exemple 1: Effet du poids sur une balle qu on lance. - Exemple 2 : Phénomène d électrisation effet d une force électrostatique sur des petits morceaux de papiers. Une force qui s exerce sur un corps peut mettre cet objet en mouvement, modifier sa trajectoire, modifier sa vitesse. L effet d une force sur le mouvement d un système est d autant plus grand que la masse du système est faible. II- Le principe de l Inertie. 1)- Peut-il y avoir mouvement sans force? - C est au XVII e siècle que Newton donne une réponse à cette question. ( ) Situation 1 : On pose une pierre de curling, de masse m = 19,96 kg, sur la patinoire plane et horizontale. On néglige les forces de frottements et l action de l air sur la pierre de curling (on prend g = 10 N / kg). Quelles sont les actions mécaniques qu elle subit? Le système est la pierre de curling. - Le système extérieur est tout ce qui ne fait pas partie de la pierre de curling. - La pierre de curling est en interaction avec la Terre. - C est le poids de la pierre de curling : Point d application : G Direction : verticale passant par G Sens : bas vers haut Valeur : P = m. g Þ P 200 N - La pierre de curling est en interaction avec la glace. La glace empêche la pierre de curling de s enfoncer : Point d application : G Direction :? Sens :? Valeur : F glace/pierre =? - La pierre de curling est immobile. - Dans ce cas, on dit que, son poids et la force exercée par la glace sur la pierre sont deux forces qui annulent leurs effets : elles se compensent. 4

5 Situation 2 : On lance cette même pierre sur la patinoire. Quelles sont les actions mécaniques qu elle subit? Le système est la pierre de curling - La pierre de curling est soumise aux mêmes actions mécaniques et - Lorsque la pierre de curling se déplace sur la patinoire, son centre d inertie est animé d un mouvement rectiligne uniforme par rapport à la patinoire (Référentiel terrestre). - Dans ce cas, son poids et la force exercée par la glace sur la pierre sont deux forces dont les effets s annulent. De tels mouvements ont amené Galilée, puis Newton à énoncer le principe d Inertie. 2)- Le principe de l Inertie. - Énoncé 1: Tout corps persévère dans son état de repos ou de mouvement rectiligne uniforme si et seulement si les forces qui s exercent sur lui se compensent. - Énoncé 2: Un corps est immobile ou en mouvement rectiligne uniforme si et seulement si les forces qui s exercent sur lui se compensent (ou s il n est soumis à aucune force). - Remarque : - Le principe de l inertie n est valable que dans certains référentiels. - On l applique cette année dans le référentiel terrestre et dans le référentiel géocentrique. - Lorsque la trajectoire d un objet n est pas une droite ou lorsque la vitesse d un corps varie, on peut affirmer d après le principe de l inertie que les forces exercées sur cet objet ne se compensent pas. 5

6 3)- Retour sur l exercice précédent : - L application du principe de l inertie à la situation de la pierre de curling permet de déterminer les caractéristiques de la force. - Dans les deux cas le principe de l inertie permet d affirmer que la pierre de curling est soumise à des actions mécaniques dont les effets se compensent : - - En conséquence : P = F glace/pierre 200 N - Caractéristiques de la force : Point d application : G Direction : verticale passant par G Sens : haut vers bas Valeur : F glace/pierre 200 N 6

7 III- Application. 1)- QCM : indiquer la ou les bonne(s) réponse(s). énoncé A B C réponse 1 Une action mécanique peut-être modélisée par : une flèche une force La direction de la force est : un segment de droite AB 2 vers le bas verticale oblique B La masse du javelot est de : Donnée : g = 10 N kg kg 8 N 0,8 kg C 7

8 La force est : 4 la force exercée par la main de l athlète sur le javelot la force exercée par le javelot sur la main de l athlète la force exercée par l air sur le javelot A On suppose que le javelot n est soumis qu aux forces et constantes pendant la course d élan de l athlète. 5 Pendant la course d élan, le javelot a un mouvement rectiligne uniforme Pendant la course d élan, le javelot n a pas un mouvement rectiligne uniforme Pendant la course d élan, le javelot a un mouvement circulaire uniforme B Une fois que le javelot a quitté la main de l athlète, on néglige l action de l air. Une seule force extérieure s applique au javelot. La force exercée par une raquette de tennis sur une balle lors d un service : Un parachutiste avec son équipement a une masse de 80 kg. Durant une partie de sa descente il a une trajectoire verticale et une vitesse de valeur constante. Il est soumis à deux Cette force est celle exercée par la main de l athlète modifie la vitesse de la balle Cette force est le poids du javelot modifie la masse de la balle Cette force modifie la trajectoire du javelot modifie la trajectoire de la balle BC AC verticale oblique vers le haut AC forces : son poids et les frottements exercés par l air. La force est : 8

9 9 Un parachutiste avec son équipement a une masse de 80 kg. Durant une partie de sa descente il a une trajectoire verticale et une vitesse de valeur constante. Il est soumis à deux P < F P > F P = F C forces : son poids et les frottements exercés par l air. Dans la situation décrite : Un parachutiste avec son équipement a une masse de 80 kg. Durant une partie de sa descente il a une trajectoire verticale et une vitesse de valeur constante. Il est soumis à deux 10 forces : son poids et les frottements 80 N 800 N Inférieure à 800 N B exercés par l air. La valeur de la force exercée par l'air est : Donnée : g = 10 N kg 1. 2)- Exercice 3 page 254 : Lancer du «poids». 3)- Exercice 5 page 254 : Billard. 4)- Exercice 7 page 256 : Le 10 mètres féminin. 5)- Exercice 12 page 256 : Le mascaret. 6)- Exercice 13 page 256 : Le temps de pose d un appareil photo. 7)- Exercice 16 page 258 : Étude du lancer de balle. 9

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