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Mobile sur un coussin d’air Document : J-C.Bertrand & M.Moppert
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Physique
Mobile sur un coussin d’air
Exercice résolu
- Enoncé –
Sauf indication contraire, toutes les réponses seront justifiées.
Données :
 Valeur du vecteur champ de pesanteur : g = 10 m.s-2
 sin 10° = 0,174
On dispose du matériel suivant :
- un mobile autoporteur de masse m = 230 g et de centre d’inertie G,
- une table plane,
- un ordinateur avec interface d’acquisition et logiciel de traitement de données.
Le mouvement de G est étudié dans le référentiel terrestre supposé galiléen.
Première partie
Le mobile est lancé sur la table inclinée d’un angle  = 10° par rapport à l’horizontale. Le système
informatique enregistre les positions successives de G. Le tableau ci-dessous reproduit une
partie des données dans un repère orthonormé
,,O i j
:
Points
G1
G2
G3
G4
G5
t (ms)
192
289
389
490
589
x (mm)
2
21
40
59
78
y (mm)
9
34
44
36
11
A. Etude expérimentale
1. Sur papier millimétré, dessinez en vraie grandeur les positions successives de G.
2. a) Déterminez les valeurs des vecteurs vitesse
2
v
et
4
v
en G2 et G4
b) En G3, construisez (sans justifier) le vecteur
42
v v v  
(échelle : 1,0 cm pour
1,0 x 10-1 m.s-1).
c) Déterminez la valeur du vecteur accélération
G
a
en G3.
d) Sans justifier, construisez ce vecteur (échelle : 1,0 cm pour 1,0 m.s-2).
B. Etude théorique
Remarque : tous les frottements seront négligés.
1. En utilisant la seconde loi de Newton, montrez que la somme vectorielle
ext
F
des forces
extérieures exercées sur le mobile est nécessairement parallèle au plan de la table.
2. Sur le schéma en annexe, représentez les forces extérieures s’exerçant sur le mobile ainsi que
le vecteur
ext
F
.
3. Exprimez puis calculez la valeur
G
a
du vecteur accélération du centre d’inertie du mobile.
Comparez avec le résultat de l’étude expérimentale.

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Deuxième partie
La table est maintenant disposée horizontalement. Le mobile autoporteur est relié, par
l’intermédiaire d’un fil horizontal, à un dispositif créant une force constante
F
: il prend alors un
mouvement rectiligne. Le système informatique enregistre les positions de G à différentes dates
t (en ms), calcule les vitesses v (en mm.s-1) du centre d’inertie aux mêmes instants, et trace le
graphe représentatif de la fonction t  v(t) (voir en annexe).
1. Donnez les caractéristiques du vecteur accélération
G
a
au cours du mouvement.
2. Définissez la nature du mouvement de G.
3. Déterminez la valeur de la force
F
.
Annexe 1ère partie
Annexe de l’exercice de physique (2ère partie)
G

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- Corrigé –
A. Etude expérimentale
1. Le placement des points se fait sans aucune difficulté, au millimètre près.
2. a) On assimile vecteur vitesse à la date t2 avec vecteur vitesse moyenne entre les dates t1
et t3 encadrant t2 et proches de t2 . Dans ces conditions :
v2 =
13
31
GG
tt
soit : v2 =
2
3
5,2 10
(389 192) 10
= 2,6 x 10-1 m.s-1
De même : v4 =
35
53
GG
tt
soit v4 =
2
3
5,1 10
(589 389) 10
= 2,6 x 10-1 m.s-1
b) Le vecteur
2
v
est porté par la tangente à la trajectoire en G2 et représenté par une flèche
de 2,6 cm. Le vecteur
4
v
est porté par la tangente à la trajectoire en G4 et représenté par
une flèche de 2,6 cm.
Le vecteur
v
obtenu est vertical, orienté vers le bas et représenté par une flèche de 3,5
cm : on a donc, compte tenu de l’échelle imposée, v = 3,5 x 10-1 m.s-1.
c) On assimile vecteur accélération à la date t3 avec vecteur accélération moyenne entre les
dates t2 et t4 encadrant t3 et proches de t3. Dans ces conditions : aG =
42
v
tt
Soit aG =
1
3
3,5 10
(490 289) 10
= 1,7 m.s-2
d) Le vecteur
G
a
est colinéaire au vecteur
v
et de même sens. Compte tenu de l’échelle
imposée, il est représenté par une flèche de 1,7 cm.
B. Etude théorique
1. Le vecteur
v
est parallèle au plan de la table : donc le vecteur
G
a
, colinéaire au vecteur
v
, est parallèle au plan de la table.
D’après la deuxième loi de Newton,
.
ext G
F ma
: la somme vectorielle des forces
extérieures est donc colinéaire à
G
a
et donc parallèle au plan de la table.
2. Les forces extérieures s’exerçant sur le mobile sont :
- son poids
P,
ur
- la réaction
R
ur
du plan.
On a donc :
ext
F
=
P
+
R
G
P
R
ext
F

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3. A partir du schéma précédent : sin  =
..
ext G
F ma
P m g
=> aG = g.sin 
Soit : aG = 10 x 0,174 = 1,7 m.s-2, ce qui confirme le résultat de l’étude expérimentale.
Deuxième partie
1. La trajectoire étant rectiligne, les vecteurs vitesse en accélération sont portés par celle-ci.
La valeur de la vitesse augmente au cours du temps : le vecteur accélération a le même sens
que le vecteur vitesse.
Le graphe représentatif de la fonction t  v(t) est une droite passant par l’origine.
Or
GG
dv dv
a et a
dt dt
. La valeur du vecteur accélération est donc constante et égale au
coefficient directeur k de la droite : on trouve k = aG = 1,4 m.s-2.
2. Le mouvement de G est rectiligne uniformément accéléré.
3. Le mobile autoporteur est soumis à 3 forces extérieures :
- son poids
P
- la réaction du plan :
R
- la force exercée par le fil :
F
On a donc :
ext
F
=
P
+
R
+
F
D’après le principe des actions réciproques (3ème loi de Newton) :
P
+
R
=
0
et
ext
F
=
F
= m.
G
a
=> F = m.aG soit F = 2,30 x 10-1 x 1,4 = 3,2 x 10-1 N