Activité expérimentale Etude du mouvement de la pierre de curling Compétences attendues : Effet d une force sur le mouvement d un corps : modification de la vitesse, modification de la trajectoire. Savoir que l effet d une force dépend de la masse du corps. Le principe d inertie. I. Introduction Le curling est un jeu d'équipe qui se pratique sur une piste de glace. Il consiste à faire glisser des "pierres", dotées d une poignée, pesant environ 20 kg, et à faire en sorte qu elles s arrêtent le plus près possible de la cible dessinée sur la glace. Le curling est un jeu écossais qui remonte au XVIème siècle. Ce sport est aussi appelé «pétanque de glace». Le curling est un sport officiel des Jeux olympiques d'hiver depuis les 1998. Historiquement, deux grandes théories se sont opposées quant aux relations entre forces et mouvements : Selon le Grec Aristote (384-322 av. JC) : un corps est en mouvement rectiligne uniforme à condition qu une force s exerce sur lui, afin d entretenir ce mouvement. Selon l Italien Galilée (1564-1642) : il n est pas nécessaire d exercer une force pour maintenir le mouvement rectiligne uniforme d un corps. A priori, avec laquelle de ces deux conceptions êtes-vous d accord? Aristote ou Galilée. Entourer votre réponse. Le but de ce TP est de déterminer expérimentalement lequel de ces deux éminents scientifiques avait raison! II. Peut-il y avoir un mouvement sans force? Exemple du curling Le curling est un sport d équipe qui se pratique sur une patinoire. Il consiste à faire glisser des palets en pierre munis d une poignée, et à faire en sorte qu ils s arrêtent le plus près possible de la cible dessinée sur la glace. Deux phases du jeu sont représentées ci-dessous : 2nde Act. Exp. : Etude du mouvement de la pierre de curling 1 C. Grange-Reynas
Observer l extrait filmé d une compétition de curling (aux JO) puis répondre aux questions suivantes. http://physikos.free.fr/file/sport%20seconde/sport-chapitre-2- force%20et%20activites%20sportives/video/curling.mp4 http://physikos.free.fr/file/sport%20seconde/sport-chapitre-2- force%20et%20activites%20sportives/video/curling%20suede.mp4 On s intéresse au mouvement du palet. Préciser le système dont on étudie le mouvement et justifier la réponse. On s'intéresse au mouvement du palet donc le système dont on étudie le mouvement est le palet de curling. Dans quel référentiel étudie-t-on son mouvement? On étudie le mouvement dans le référentiel de la patinoire. Avant le lancer : Le palet est posé sur la glace et le joueur ne touche pas au palet : le palet est immobile A quelles forces est soumis le palet? Dessiner le Diagramme Objets Interactions (D.O.I) du palet. Le palet est soumis à son poids P et à la force exercée par la glace sur le palet R. Le palet étant immobile par rapport au sol, que peut-on dire de la direction et le sens de ces forces? Comparer la valeur de chacune des forces. Comme le palet est immobile par rapport au sol, ces deux forces ont même valeur, même direction mais sont de sens opposé. Représenter ci-contre les forces qui s exercent sur le palet (sans souci d échelle). Fglace/palet F/palet Que peut-on dire concernant ces deux forces qui expliqueraient que le palet soit immobile? Lorsqu'un objet est immobile, les forces qui s'exercent sur lui se compensent. Fglace/palet + F/palet = O Conclure sur le lien entre la nature du «mouvement» et les forces exercées sur le palet. Si les forces qui s'exercent sur le palet se compensent alors le palet est immobile, les forces qui s'exercent sur lui se compensent. Pendant le lancer - phase (1) C est pendant cette phase que le lanceur est en contact avec le palet. Quelle est la nature du mouvement du palet pendant le lancer? Pendant le lancer, le mouvement du palet est rectiligne accéléré. 2nde Act. Exp. : Etude du mouvement de la pierre de curling 2 C. Grange-Reynas
A quelles forces le palet est-il soumis? Dessiner le DOI du palet. Le palet est soumis à son poids, à la force exercée par la glace sur le palet et à la force exercée par le joueur sur le palet. Air Joueur Placer sur le schéma ci-contre les forces qui s exercent sur lui lors de la phase (1). F/palet Fjoueur/palet FAir/palet F/palet Les forces qui s exercent sur le palet se compensent-elles, c est-à-dire la somme vectorielle des forces est-elle nulle? Les forces qui s exercent sur le palet ne se compensent pas. Fglace/palet + F/palet + Fjoueur/palet + FAir/palet O Le palet glisse, lâché par le lanceur Phase (2) A quelles forces le palet est-il soumis? Dessine le Diagramme objets-interactions (D.O.I) de la pierre qui glisse, lâchée par le lanceur. Air Le lanceur intervient-il encore sur le mouvement de la pierre après le lancer? Le lanceur n intervient pas sur le mouvement de la pierre après le lancer. Dessine les forces qui s exercent sur le palet, après qu elle soit lancée. (Attention, la pierre finit par s arrêter). F/palet F/palet FAir/palet Comme on vient de le dire, le palet, une fois lancé, va finir par s arrêter. Comment qualifier son mouvement dans le référentiel de la patinoire? Dans le référentiel de la patinoire, son mouvement est rectiligne ralenti. Pourquoi le palet finit-il par s immobiliser? Les forces de frottements sont à l origine de l immobilisation du palet. Quel serait le mouvement du palet en absence de tout frottement sur la glace? En l absence de tout frottement, le mouvement du palet serait rectiligne uniforme. Conclure sur le lien entre la nature du «mouvement» et les forces exercées sur le palet. Une force exercée sur le palet (système) peut avoir pour effet de modifier la valeur de sa vitesse (y compris pour le mettre en mouvement). Une force exercée sur le palet (système) peut aussi avoir pour effet de modifier sa trajectoire et/ou de déformer le système 2nde Act. Exp. : Etude du mouvement de la pierre de curling 3 C. Grange-Reynas
Le document ci-dessous représente le mouvement du palet avec et sans frottement. Quel est le rôle du balayeur? Le balayeur élimine les frottements. En balayant, la glace fond et crée une surface lisse sans frottement. Le mouvement 1 est-il avec ou sans frottement? Le mouvement 1 est sans frottement. Même question pour le mouvement 2. Le mouvement 2 est avec frottements. Pour le mouvement 1, à quelles forces le palet est-il soumis? Dessine le Diagramme objets-interactions (D.O.I) du palet qui glisse, lâché par le lanceur. Dessine les forces qui s exercent sur le palet. F/palet F/palet Les forces qui s exercent sur le palet se compensent-elles, c est-à-dire la somme vectorielle des forces est-elle nulle? Les forces qui s exercent sur le palet se compensent. Fglace/palet + F/palet = O Conclusion Lorsque les forces se compensent, le palet est immobile ou conserve la même trajectoire et la même vitesse. III. Énoncé historique du principe d inertie Sir Isaac Newton (25 décembre 1642 ou 4 janvier 1643 20 mars 1727) formula en 1686 le principe d inertie (ou 1 ère loi de Newton) : Que signifie le terme «persévérer dans l état de repos»? Le terme «persévérer dans l état de repos» signifie rester dans son état de repos. Un corps dans cet état sera donc immobile. 2nde Act. Exp. : Etude du mouvement de la pierre de curling 4 C. Grange-Reynas
D après les résultats du TP, un corps au repos ou en «mouvement uniforme en ligne droite» peut-il être soumis à des forces? A quelle condition? D après les résultats du TP, un corps au repos ou en «mouvement uniforme en ligne droite» peut être soumis à des forces à condition que ces forces se compensent. IV. Le principe d inertie, ou première loi de Newton, s énonce ainsi. Tout corps demeure dans son état de repos ou de mouvement rectiligne et uniforme s il n est soumis à aucune action mécanique ou si les actions mécaniques qui s exercent sur lui se compensent. Ce mouvement de la pierre de curling peut-il s expliquer par le principe d inertie? Tout à fait : en l absence de frottements, la pierre n est soumise qu à deux forces qui se compensent : la réaction du sol et le poids. En vertu du principe d inertie, son mouvement est donc rectiligne et uniforme. 5. Comment interpréter, dans ce cas, l enregistrement n 2? Dans ce cas, la présence de frottements «casse» la compensation des forces P et R : la pierre n est plus soumis à des forces qui se compensent, et son mouvement, s il continue à être rectiligne, n est plus uniforme. 7. Le lanceur peut-il donner à la pierre une trajectoire circulaire? Peut-on lancer un glaçon sur une table en lui faisant décrire une courbe? En application du principe d inertie, ce n est pas possible. V. Modélisation du mouvement du palet sur la glace à l aide d un mobile autoporteur 1) Préciser en quelques mots comment fonctionne le dispositif utilisé pour enregistrer une trajectoire. On donne une impulsion au mobile afin de le mettre en mouvement sur une table horizontale. Faire deux enregistrements en modifiant le mode de lancement (le lancer tout droit ou en le faisant tourner). 2) Analyser l enregistrement de la trajectoire du centre du mobile : que constatez-vous pour la trajectoire et pour la vitesse? VI. Conclusion du TP 1) Retour à l introduction : finalement, qui de Galilée ou d Aristote avait raison?... 2) Votre réponse à la question I.3.5. est-elle en accord avec le principe d inertie?... 3) A quoi peut bien servir le balayage vigoureux que les joueurs effectuent devant le palet de curling en mouvement? Énoncés et applications Si la vitesse et la direction de l objet ne varient pas (corps immobile ou mouvement rectiligne uniforme) alors les forces qui s exercent sur ce corps se compensent. (Ex : un livre sur une table) Si la vitesse ou la direction de l objet ou les deux à la fois varient (corps ni immobile, ni en mouvement rectiligne uniforme) alors les forces qui s exercent sur ce corps ne se compensent pas. (Ex : enfant sur un tourniquet.) Si les forces qui s exercent sur un objet se compensent alors la vitesse et la direction de cet objet ne varient pas.(corps immobile ou mouvement rectiligne uniforme). (Ex : Enfants tirant sur une corde). Si les forces qui s exercent sur un objet ne se compensent pas alors la vitesse et/ou la direction varient. (corps ni immobile, ni en mouvement rectiligne uniforme).(ex : Enfants tirant sur une corde. Un troisième enfant vient prêter main forte.) 2nde Act. Exp. : Etude du mouvement de la pierre de curling 5 C. Grange-Reynas