Phys. N° 10 |
Forces et mouvement dans le sport. Cours |
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Mots clés : Cours de physique seconde Actions mécaniques, modélisation d'une force, effets d'une force Mouvement, sport, action mécanique, système, référentiel, poids, Principe de l'inertie, énoncé, forces qui s'annulent, effet d'une force sur le mouvement, ... |
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QCM : |
Exercices : énoncé avec correction
a)- Exercice 3
page 254 : Lancer du « poids ».
b)- Exercice 5
page 254 : Billard.
c)- Exercice 7
page 256 : Le 100 mètres féminin.
d)- Exercice 12
page 256 : Le mascaret.
e)- Exercice 13
page 256 : Le temps de pose d’un appareil photo.
f)- Exercice 16
page 258 : Étude du lancer de balle. |
- 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 ou 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 lors du contact.
- 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 compte de l’action de l’air sur le système.
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 :
- 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.
- 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.
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.
Les effets d'une force sur le mouvement :
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1)- Peut-il y avoir mouvement sans force ?
- C’est au XVIIe siècle que Newton donne une réponse à cette question. (1642 – 1727)
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 :
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Point d’application : G |
Direction : verticale passant par G |
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Sens : bas vers haut |
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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 :
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Point d’application : G |
Direction : ? |
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Sens : ? |
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Valeur : Fglace/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.
►
Forces qui se compensent :
-
Deux forces qui se compensent ont
même direction, même valeur, mais des sens opposés.
-
Elles sont représentées par deux
vecteurs opposés.
-
Leur somme vectorielle est égale
au vecteur nul.
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.
Énoncé 1:
si et seulement si les forces qui s’exercent sur lui se compensent. |
Énoncé 2:
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.
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 = Fglace/pierre ≈ 200 N
-
Caractéristiques de la force :
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Point d’application : G |
Direction : verticale passant par G |
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Sens : haut vers bas |
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Valeur : Fglace/pierre ≈ 200 N |
1)- QCM : indiquer la ou les bonne(s) réponse(s).
QCM : |
a)- Exercice 3 page 254 : Lancer du « poids ».
b)- Exercice 5 page 254 : Billard.
c)- Exercice 7 page 256 : Le 10 mètres féminin.
d)- Exercice 12 page 256 : Le mascaret.
e)- Exercice 13 page 256 : Le temps de pose d’un appareil photo.
f)- Exercice 16 page 258 : Étude du lancer de balle.
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