Chapitre 2 Le plan incliné - physique

Chapitre 2
Le plan incliné
Lorsqu’un corps glisse le long d’un plan incliné, il n’est pas en chute libre. Ce corps
est contraint de se déplacer le long du plan. Le corps ne chute donc plus verticalement, mais il glisse le long de la pente du plan avec une accélération différente de
g (figure 2.1). Si l’accélération est constante, les équations du mouvement rectiligne
uniformément accéléré vues au chapitre 1 s’appliquent toujours. L’essentiel ici sera
donc de trouver une façon d’exprimer l’accélération d’un objet sur un plan incliné
pour pouvoir éventuellement décrire son mouvement.
Dans ce chapitre nous étudierons le mouvement d’un objet sur un plan incliné,
sans frottement et soumis à l’action de plusieurs forces. Ce sera l’occasion de présenter
les deux premières lois de Newton relatives au mouvement. Ces lois sont à la base de
la mécanique classique.
θ
Figure 2.1 – Direction de la chute sur un plan incliné.
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Physique des mécanismes
2.1
Projection de l’accélération
Puisqu’un objet glissant sur un plan incliné ne peut accélérer verticalement, son
accélération sera plus petite que g. S’il
g sinθ
n’y a pas de frottement, son accélération
sera égale à la composante de g le long
du plan (figure 2.2.)
θ
L’angle du plan sera toujours donné
par rapport à l’horizontale, ce qui nous
permet grâce à la géométrie de trouver
l’expression de l’accélération
θ
g
Figure 2.2 – Projection de l’accélération sur
le plan incliné.
a = g sin ◊.
2.2
(2.1)
Les deux premières lois de Newton
La figure 2.3 présente un extrait des Philosophiae Naturalis Principia Mathematica de
Newton 1 où il présente ses trois lois du mouvement. Les deux premières lois peuvent
se résumer ainsi :
Première loi ; si aucune force résultante ne s’exerce sur un corps, la vitesse
de ce corps ne peut pas varier. Son accélération est nulle.
Seconde loi ; la force résultante exercée sur un corps est égale au produit de
la masse de ce corps et de son accélération.
F˛résultante = m˛a
(2.2)
1. Publié pour la première fois à Londres en 1687, ce livre est considéré comme l’un des plus
important de l’histoire. Il a été traduit pour la première fois en français par Émilie du Châtelet et
publié par Voltaire en 1756, sous le titre Principes mathématiques de philosophie naturelle.
Chapitre 2. Le plan incliné
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Figure 2.3 – Extrait des P rincipia de Newton (1643–1727) traduit par Mme du
Châtelet (source Bibliothèque Nationale de France).
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2.3
L’application de la deuxième loi de Newton
Un exemple simple d’application de la deuxième loi de Newton est présenté à la figure
2.4 où l’on doit trouver l’accélération des deux masses M et m. On suppose que la
corde reliant les deux masses est elle-même sans masse et qu’elle ne s’étire pas. Par
conséquent, la grandeur de l’accélération de M doit être égale à celle de m
aM = am = a.
(2.3)
De plus selon la formulation de la deuxième loi, il faut considérer la force résultante sur chacune des masses. Pour M il n’y a que la tension T dans la corde
FM = T = M a.
(2.4)
Quant à m, deux forces agissent sur elle, la gravité et la tension dans la corde.
Puisque ces deux forces sont en direction opposée, elles se soustraient. La résultante
des forces sur m est donc
Fm = mg ≠ T = ma.
(2.5)
La tension est partout la même dans la corde. On peut donc isoler T dans l’équation (2.5) et remplacer l’expression ainsi obtenue dans l’équation (2.4) pour trouver
la valeur de a
mg ≠ ma = M a
M a + ma = mg
a(M + m) = mg
a=
m
g.
M +m
(2.6)
Puisque la force est le produit de la masse et de l’accélération, l’unité de la force
est le kg·m/s2 qu’on définit comme étant le Newton (N)
1 kg·m/s2 = 1 N.
(2.7)
Chapitre 2. Le plan incliné
M
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T
T
m
mg
Figure 2.4 – Un bloc sur une surface lisse est tiré par un deuxième bloc suspendu.
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Exemple 2.1
La figure 2.5 présente un exemple d’application de la deuxième loi faisant intervenir un
plan incliné. Quelle sera l’accélération de chacune des masses M = 5 kg et m = 3 kg
si le plan est incliné de 30¶ ?
Solution
On considère toujours que la corde reliant les masses est sans masse et qu’elle ne peut
s’étirer. Les deux masses ont par conséquent la même accélération.
Deux forces agissent sur la masse M , la tension dans la corde et la gravité.
Cependant, on doit seulement considérer la composante de la gravité qui agit selon
la pente du plan et qui est opposée à la tension. Nous avons vu à la section 2.1 que
l’accélération selon la pente du plan est a = g sin ◊ par conséquent la composante de
la force gravitationnelle selon le plan sera Fg,plan = M g sin ◊. L’équation de la force
résultante pour M est donc
FM = T ≠ M g sin ◊ = M a.
(2.8)
La force résultante sur la masse m est la même que celle de l’équation (2.5)
Fm = mg ≠ T = ma.
(2.9)
En isolant T dans l’équation (2.9) et en remplaçant le résultat dans l’équation (2.8)
on obtient
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T
T
y
m
Mg sinθ
θ
θ
x
mg
Mg
Figure 2.5 – Un bloc sur un plan incliné est tiré par un deuxième bloc suspendu.
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2.4
Étapes pour la résolution de problèmes
Lorsqu’on doit résoudre un système de masses assujetties à des forces afin de caractériser leur mouvement, il faut procéder par étapes.
La méthode générale de résolution est en trois étapes :
1. Tracer le diagramme des forces pour chacune des masses du système.
F2
F3
θ
F4
m
F1
F5
F6
Figure 2.6 – Diagramme de forces fictif pour une masse m.
2. Décomposer les forces selon deux axes perpendiculaires (voir Annexe A) et
écrire la seconde loi de Newton selon chacun de ces axes.
3. Résoudre le système d’équations et d’inconnues correspondant. Les membres
de droite donnent les accélérations résultantes ax et ay .
Fx = F1 + F2 cos ◊ ≠ F4 ≠ F5 = max
(2.10)
Fy = F2 sin ◊ + F3 ≠ F6 = may .
(2.11)
Ici comme les forces sont dans un même plan, elles peuvent se décomposer selon
les axes x et y. Ce qui donne un système de deux équations pour chaque masse. Si les
forces étaient distribuées dans l’espace en trois dimensions, on obtiendrait un système
de trois équations (soit en x, y et z) pour chacune des masses.
Chapitre 2. Le plan incliné
2.5
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Exercices
2.1 Soit un bloc qui glisse sur une surface lisse ayant une inclinaison ◊ = 15¶ . Si le
bloc est immobile au départ au sommet du plan incliné et que ce plan fait 2 m
de longueur, déterminez
(a) l’accélération du bloc, et
(b) sa vitesse lorsqu’il atteint la base du plan incliné.
2.2 On imprime à un bloc une vitesse initiale de 5 m/s en direction du sommet
d’une pente lisse de 20¶ . Quelle distance le bloc parcourra-t-il vers le sommet
avant de s’immobiliser ?
2.3 La figure ci-contre illustre une corde qui maintient
un bloc de masse M = 15 kg immobile sur un plan
incliné selon un angle de 30¶ par rapport à l’horizontale. Quel est est la grandeur de la tension dans
la corde sachant que la masse de celle-ci ainsi que
le frottement entre le bloc et le plan sont négligeables ?
30°
2.4 Un ouvrier pousse un diable de 100 kg à
vitesse constante le long d’un plan inclinée
de 10¶ par rapport à l’horizontale. Quelle
F
est la grandeur de la force que l’ouvrier imprime au diable si l’ouvrier pousse celui-ci
selon l’horizontale ?
10°
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2.5 Une masse de 2 kg se trouve sur un plan incliné à un angle de 30¶ . Elle est
reliée à une masse de 5 kg posée sur une surface horizontale. Les deux masses
glissent sans frottement. La poulie est de masse négligeable et fonctionne sans
frottement. On pousse sur la boîte à l’horizontale avec une force de 3 N. Quelle
est alors la tension dans la corde qui unit les deux boîtes.
F
5 kg
30°