Force et mouvement. Intro. Newton. Théorie un peu de réflexion BULLETIN SPÉCIAL N 4

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1 BULLETIN SPÉCIAL N 4 Force et mouvement Théorie un peu de réflexion Intro Les forces sont partout. Un coup de pied dans un ballon, un coup de vent, un lancer de pierre Dès qu un objet accélère ou ralentit, il y a toujours une force en action. Newton L unité de mesure de la force est le newton (N). Comme Isaac Newton, le scientifique du 17 e siècle qui a longuement étudié le phénomène de la force. 1 newton correspond environ à la force nécessaire pour soulever une pomme. 1

2 THEORIE UN PEU DE REFLEXION La loi de l inertie La plupart des objets ne bougent pas. Si tu veux les faire bouger, tu dois exercer une force sur eux. Petit exemple. Imaginons que tu es dans une voiture de sport. Soudain, le conducteur met les gaz à fond. La voiture fait un bond en avant. La conséquence? Tu te retrouves scotché au dossier de ton siège. C est parce qu un objet au repos veut rester au repos. Ton corps n a aucune envie de subir ce changement brutal de mouvement et veut rester là où il était. C est ce que les scientifiques appellent la loi de l inertie. Une découverte que nous devons à... Isaac Newton. L inverse est tout aussi vrai. Dès qu un objet est en mouvement, il veut rester en mouvement. C est ce qui explique que tu voles en avant quand tu es dans un véhicule qui doit freiner précipitamment. Quand tu es assis dans une voiture en mouvement, tu bouges à la même vitesse que la voiture. Tu comprends l importance (vitale) de boucler ta ceinture! Le savais-tu? Si tu heurtes un objet immobile à 50 km/h, tu reçois exactement le même choc que si tu plongeais de 10 mètres de haut dans une piscine vide. C est à cause de la loi de l inertie. Sauf si tu portes ta ceinture de sécurité, bien sûr. Car elle te maintient bien en place. 2

3 THEORIE UN PEU DE REFLEXION La force centrifuge As-tu déjà fait des moulinets avec un seau rempli d eau? Si ton bras tourne assez vite, tu n en renverseras pas une goutte. En effet, l eau qui se trouve dans le seau veut s écarter du centre du cercle que tu décris avec le seau. Plus tu tournes vite, plus la force qui s exerce sur l eau est grande. L eau est donc poussée au fond du seau. C est à cause de la force centrifuge. La sensation est la même quand une voiture tourne rapidement à droite ou à gauche. Tu es littéralement poussé vers l extérieur du virage. Et tu n es pas le seul à subir cette force, la voiture dans laquelle tu es assis aussi. Seule la friction entre les pneus et la surface de la route permet à la voiture de prendre correctement le tournant. Sauf, bien sûr, si la voiture roule trop vite. Dans ce cas, la friction est trop faible et la voiture verse dans le fossé. 3

4 THEORIE UN PEU DE REFLEXION Quantifier une force: formule La quantité d une force dépend du poids (la masse) de l objet et de l accélération subie par l objet. Isaac Newton a constaté qu un objet ne change pas de vitesse sans raison. Il existe donc une force qui accélère ou ralentit son mouvement. Autrement dit, tout changement de mouvement est proportionnel à la force exercée sur l objet. FORMULE F=mxa F=force m=masse en kilogrammes a= accélération en m/s 2 Cette formule permet de calculer la force nécessaire pour donner un certain changement de vitesse à un objet qui a une certaine masse. Le m représente la masse en kilos, le a indique le nombre de mètres par seconde au carré. Le produit des deux donne la force (F) en newtons. Un newton est donc la force nécessaire pour accélérer ou ralentir en une seconde le mouvement d une masse de 1 kilogramme de 1 mètre par seconde. EXEMPLE La force nécessaire pour donner une accélération de 20m/s² à une voiture de course de 600 kilos est de 600x20 = N. Prenons cette Citroën DS de 1200 kilos, soit le double de notre exemple. Si l on applique la même force, l accélération sera donc de 10m/s². 4

5 THEORIE UN PEU DE REFLEXION Ressort/Suspension Un ressort est tout ce qui se déforme quand on exerce une force dessus, et qui reprend sa forme initiale quand la force diminue ou disparaît. Les ressorts peuvent s étirer comme des élastiques. Mais ils peuvent aussi se comprimer. Quand tu les relâches, ils reprennent toujours leur forme initiale. C est grâce aux ressorts de la suspension que tu n es pas balancé dans tous les sens lorsque la voiture de tes parents roule sur une route pleine de trous. Ils assurent le confort des passagers. EXEMPLE Un arc est un bel exemple de ressort. En tirant la flèche vers l arrière, tu tends l arc. Quand tu lâches la flèche, l arc reprend sa forme initiale. La corde de l arc se retend en lançant la flèche au loin. L énergie élastique n est donc pas dans la corde, mais dans l arc lui-même. 5

6 PRATIQUE PRIORITE A L ACTION Pratique priorité à l action Explique avec tes propres mots Pourquoi un objet qui est au repos veut-il rester au repos? Qui est Isaac Newton? Quelle est la formule utilisée pour calculer la puissance? Explique. Qu est-ce qui caractérise un ressort? Quelle est la force qui entre en jeu lorsque tu fais des moulinets avec un seau rempli d eau sans en renverser une goutte? 6

7 PRATIQUE PRIORITE A L ACTION A toi de jouer LA LOI DE L INERTIE: EXPÉRIENCE GRANDEUR NATURE DE QUOI AS-TU BESOIN? 1 œuf cru 1 œuf cuit dur COMMENT FAIRE? 1. Dépose délicatement les œufs sur une table 2. Fais tourner l œuf cru et arrête-le en posant ton doigt dessus 3. Fais la même chose avec l œuf dur QUE CONSTATES-TU? L œuf cuit dur tourne régulièrement. L œuf cru ondule. Si tu touches l œuf dur, il s arrête immédiatement. Si tu poses le doigt sur l œuf cru et que tu le relâches, il se remet à tourner. COMMENT CELA SE FAIT-IL? C est la loi de l inertie. Quand tu arrêtes l œuf cru, le blanc de l œuf continue à tourner. Dès que tu retires ton doigt de l œuf, le mouvement rotatif du blanc entraîne l œuf. Par contre, dans l œuf cuit dur, il n y a plus rien qui tourne car le blanc est cuit et forme un ensemble compact avec la coquille: il n a donc plus d inertie propre. 7

8 PRATIQUE PRIORITE A L ACTION A toi de jouer LA FORCE DE LA FRICTION DE QUOI AS-TU BESOIN? 1 table 1 boîte à chaussures 1 ballon à gonfler 10 crayons ronds de même épaisseur COMMENT FAIRE? Pose les crayons sur la table en les espaçant de 1,5 cm. Perce un petit trou au milieu du petit côté de la boîte à chaussures. Mets le ballon dans la boîte et fais passer l embouchure du ballon par le petit trou. Gonfle le ballon jusqu à ce qu il remplisse la boîte. Attention à ne pas trop tendre la baudruche. Pince l extrémité pour que l air ne s échappe pas. Place la boîte sur les crayons de sorte que ceux-ci se trouvent sous le milieu de la boîte. Puis, lâche l extrémité du ballon. Si tu as bien suivi les instructions, la boîte se met à glisser sur les crayons. Elle continue encore un peu sur la table, puis s arrête. Comment cela se fait-il? Le ballon que tu as lâché a donné à la boîte à chaussures la force de se déplacer. Sur les crayons, il n y a presque pas de friction, et donc la boîte avance. Elle continue à avancer sur la table et prouve ainsi la loi de Newton: un objet en mouvement se déplace toujours à la même vitesse. Mais quand la boîte dépasse l extrémité des crayons, la friction devient plus importante et elle s arrête. 8

9 PRATIQUE PRIORITE A L ACTION A toi de jouer LA FORCE CENTRIFUGE DE QUOI AS-TU BESOIN? 1 seau de l eau COMMENT FAIRE? 1. Prends l eau et remplis le seau à moitié 2. Fais-le tourner le plus vite possible à bout de bras QUE CONSTATES-TU? Si ton bras tourne assez vite, tu n en renverses pas une goutte. COMMENT CELA SE FAIT-IL? C est l effet de la force centrifuge. 9

10 PRATIQUE PRIORITE A L ACTION En ligne ENCORE PLUS D EXERCICES ET D EXPÉRIENCES? Va donc jeter un coup d œil sur notre site web jouons et expérimentons. Tu y retrouveras des tonnes d expériences en ligne. A faire et à refaire! 10