Voir Activité : Etude d`une situation

840901946
1/6
Chapitre PIII
LES FORCES
TP :
1 X 1,5h
Cours, activités, exercices :
EXERCICES P
h
N°
+ photocopie
La description détaillée des actions subies par un système nécessite en général la connaissance de tout un
ensemble de forces. Ces forces sont souvent réparties en volume ou à la surface de contact avec l'extérieur.
Toutefois, si l'on s'intéresse au seul mouvement du centre d'inertie, la connaissance de la somme
(résultante) de ces forces élémentaires est suffisante.
Autrement dit, il est judicieux de modéliser chaque action par une force globale unique.
I) INTERACTIONS ET FORCES
1) Comment faire un bilan d'interactions ?
Lorsqu'un objet (A) agit sur un objet (B),
simultanément (B) agit sur (A). On dit qu'il y a
interaction entre (A) et (B). figure 1
On utilise ici le mot « objet " qui est volontairement vague :
il peut s'agir aussi bien de solides que de corps déformables.
On pourrait aussi bien utiliser le mot "système " qui est
encore plus général
Voir Activité : ETUDE D’UNE SITUATION
Remarque :
Dans un problème proposé (avec ou sans dessin), tous les objets ne sont pas cités : il ne faut pas
oublier ceux qui, bien que n'étant pas mentionnés, jouent un grand rôle en mécanique :
- la Terre,
responsable de la pesanteur ;
- les appuis (sol, plan incliné, plan horizontal, etc.) sur lesquels des objets sont posés et qui font
intervenir des interactions de contact.
2) Des interactions aux forces
a) Des interactions aux actions mécaniques
Dire qu'il y a interaction entre deux objets A et C, c'est dire que deux actions réciproques s'exercent
simultanément :
 A exerce une action mécanique sur C,
 et C exerce une action mécanique sur A.
Un observateur extérieur constate l'ensemble de ces deux actions.
Changeons de point de vue et mettons-nous à la place d'un des
objets, la corde de la figure 2, par exemple :
L'action mécanique qu'exerce l'élève A sur la corde C
possède un point d'application :
o le point OA ,
o une direction : celle de la corde ,
o un sens : de C vers A
o et une l'intensité (Fig. 2b).
840901946
2/6
b) Des actions mécaniques aux forces
Direction, sens et intensité incitent à utiliser comme outil
mathématique le vecteur pour représenter une action mécanique.
Ce vecteur est appelé vecteur force (Fig. 2b).
L'action mécanique de A sur C est modélisée par le vecteur force FA/C ,
défini par :
• son origine: le point d'application de la force ;
• sa direction : la droite d'action de la force ;
• son sens : le sens de la force ;
• sa norme : L'intensité de la force.
L'intensité d'une force se mesure avec un dynamomètre et s'exprime en
Newton (N) (Fig. 3).
c) Du DOI au bilan de forces s'exerçant sur un objet
Dans le DOI, choisir un objet (en l'entourant) permet d'établir facilement
le bilan des forces qui s'exercent sur lui. Une fois choisi, l'objet est appelé
«système étudié» .
Exemple :
Notations : A : élève A
B : élève B
C : corde
T : Terre
Faire le bilan des forces appliquées à la corde de la Fig. 2a.
Les forces qui s'exercent sur la corde sont :



FA/C
FB/C
FT/C qui est le poids de la corde.
Remarque :
Il est possible d'établir, de la même manière, un bilan pour un système composé d'un ensemble d'objets.
Actions mécaniques
Les actions sont dites mécaniques quand elles créent ou empêchent des mouvements.
L'action mécanique est un phénomène physique. On lui associe la grandeur physique appelée force.
Dans le langage courant, le mot force désigne aussi bien le phénomène physique que la grandeur physique.
Exercice II
Exercice I
L’ouverture d’une porte
10 P 60 (bordas espace) : Elan, traineau, souris DOI et bilan
840901946
3/6
II) LES DIFFERENTES CATEGORIES D'ACTIONS MECANIQUES
1) Actions réparties et localisées
Lorsque l'action s'exerce au moyen d'une corde, il est facile de
déterminer un point d'application du vecteur force. Il en est de même
lorsque l'action se produit sur une petite surface : cas du choc entre
deux solides, tel le choc de deux balles de billard.
Une action qui s'exerce en un point est dite localisée.
Certaines actions sont réparties sur une grande surface (action du vent
sur la voile d'un bateau (Fig. 4) ou sur un volume.
Une action qui s'exerce sur une surface ou un volume
importants est dite répartie.
Il s'exerce alors une multitude d'actions représentées par plusieurs
vecteurs forces. Pour simplifier, on représentera la résultante de ces
vecteurs f par un seul vecteur force F (Fig. 4).
2) Actions de contact et actions à distance
Quand l’action mécanique nécessite le contact entre les corps A
et B, elle est dite de contact.
Quand elle ne nécessite aucun contact entre A et B, elle est dite à distance.
Exemples:
• Les forces d'interactions gravitationnelle et électrique sont des actions mécaniques à distance.
• L'action du vent sur la voile d'un bateau est une action de contact, puisque ce sont les molécules contenues
dans l'air qui viennent frapper la voile.
III) QUELQUES FORCES A CONNAITRE
A part le poids, toutes les forces à notre échelle (forces macroscopiques) qui s 'exercent sur un solide ont
pour origine l'interaction électromagnétique étudiée au chapitre PI.
1) Le poids
Au voisinage de la Terre, tous les grains de matière sont soumis à la force
d'attraction gravitationnelle de la Terre. Pour tout objet cette force
s'applique à chacune de ses particules, elle est donc répartie sur tout son
volume. C'est une force répartie et à distance.
La résultante de toutes ces forces constitue le vecteur poids P .
De même, le poids d'un système quelconque est la somme des poids des
différents éléments qui le constituent (Fig. 5).
Le vecteur poids P a pour caractéristiques :
• son point d'application G appelé le centre de gravité (confondu
avec son centre d'inertie) ;
• sa direction :
la verticale du lieu ;
• son sens :
vers le bas ;
• son intensité :
P= m g
avec
P en N m en kg g l'intensité de la pesanteur, en N.kg –1 (9,81N.kg-1 :valeur
donnée dans énoncés)
Contrôle de cours
N° 2 et 3 P 60 (bordas, espace)+ caract force +poids
2) La poussée d'Archimède
La résultante des forces exercées par un fluide (liquide ou gaz) sur un solide partiellement ou entièrement
immergé est appelée poussée d'Archimède et notée Pa (ou ). C'est une force répartie et de contact.
840901946
4/6
Le vecteur poussée d'Archimède Pa a pour caractéristiques :
• son point d'application : le centre de poussée C qui est le centre de gravité du fluide déplacé;
• sa direction :
la verticale ;
• son sens :
vers le haut ;
• son intensité :
Pa (ou ) correspond au poids du volume de fluide déplacé :
Pa = fluide . V. g
avec :
 Pa en N
 fluide :la masse volumique du fluide, en kg.m-3
 V le volume de la partie du solide immergée dans le fluide, en m3
 g, l'intensité de la pesanteur, en N.kg-1
Remarque :
La poussée d'Archimède exercée par l'air est souvent négligeable devant le poids, sauf pour des solides
légers (ballon sonde, montgolfière,...).
Exercice III 15 P 61 (bordas espace) : objet dans épave (Pa, P, R)
3) La force de rappel
TP P 3. Activité 2, p. 56
C’est une force localisée et de contact.
Pour un fil inextensible (non élastique), la force de rappel F est
exercée par le fil sur un solide (Fig. 6).
Ses caractéristiques sont :
• son point d'application :
Le point d'attache du fil ;
• sa direction :
celle du fil ;
• son sens :
vers L'extérieur du solide ;
• son intensité F
qui s'exprime en newton (N).
Pour un fil élastique ou un ressort (Fig. 7), F possède les mêmes
caractéristiques, avec une intensité F qui dépend de la variation de
longueur l = l - lo ( ou x) du ressort et une constante k ; lo étant la
longueur initiale du ressort et l la longueur une fois la force appliquée.
On obtient alors la relation suivante, (qui constitue la loi de Hooke) :
F = k |l| = k | 1 - 1 0 | a v e c :
o F en newton (N)
o k la constante de raideur, en N.m- 1
o l la variation de longueur du fil ou du ressort, en m
Exercice IV 26 P 65 (bordas espace) : ressort comprimé
4) La force de réaction d’un support
Elle est répartie et de contact.
Soit une boule de bowling qui roule sur une surface horizontale.
Le support, la piste, exerce sur la boule une force
possède 2 composantes :
R appelée réaction du support. Elle

La réaction normale Rn , perpendiculaire au support, qui empêche la boule
de s’enfoncer dans le sol.

La réaction tangentielle
boule.
Ainsi :
R = Rn + Rt .
En l’absence de frottement,
Rt , aussi appelée force de frottement, parallèle au support et qui s’oppose au mouvement de la

Rt = 0 , on a alors R = Rn .
840901946
5/6
R
RN
R
Sens du mouvement
Sens du mouvement
RT
RT nulle en l’absence de frottements.
Rt en sens opposé au mouvement
La force de réaction R d’un support sur un solide est caractérisée par :
 Son point d’application : le point de contact entre le support et le solide, ou un des points de la
surface de contact ;
 Sa direction :
 Soit la perpendiculaire au support en l’absence de frottement
 Soit la direction du vecteur Rn + Rt
 Son sens : du support vers le solide,
 Son intensité R en N.
La réaction est toujours perpendiculaire au support en l’absence de frottements.
IV) LES EFFETS D’UNE FORCE
Une action mécanique peut être identifiée par un ou plusieurs de ses effets.
1) La déformation
Si l'on comprime une boule de pâte à modeler entre le pouce et l'index,
celle-ci s'écrase. Sa forme n'est bien sûr plus sphérique: elle a subi une
déformation irréversible, qui est qualifiée de déformation plastique
(Fïg. 10).
Des forces peuvent déformer des objets.
Si la déformation est réversible, l'objet reprend sa forme initiale quand
la force qui l'avait déformé cesse d'agir. Une telle déformation est qualifiée d'élastique.
On utilise la déformation élastique linéaire des ressorts pour fabriquer les dynamomètres, après
étalonnage.
2) L’équilibre
On appelle solide un objet (ou un corps) qui ne se déforme pas (dans les conditions d'utilisation).
Dans le référentiel terrestre, un solide est en équilibre si tous ses points sont immobiles.
L'équilibre d'un solide ne peut être obtenu si une seule force agit sur lui.
Pour obtenir, l'équilibre, il faut plusieurs forces. Mais pas n'importe lesquelles !
En effet la vitesse du centre d'inertie soit nulle : (

 Fext  0 (première condition d'équilibre).
VG

= 0 ), la condition suivante doit être vérifiée :
La vitesse des autres points du solide doit également être nulle. Il n'y a donc pas de rotation du solide autour du
centre d'inertie G (deuxième condition d'équilibre).
On ne considérera ici que deux cas simples, pour lesquels la condition de non-rotation s'exprime aisément :
•solide en équilibre soumis à deux forces: ces forces ont même droite d'action (Fig. 11),
• solide en équilibre soumis à trois forces : les droites d'action des forces sont concourantes (Fig. 12).
840901946
6/6
3) La mise en mouvement
Si un solide est soumis à une seule force, ou à des forces qui ne vérifient
pas les conditions d'équilibre, alors on se trouve face à deux possibilités :
- ou bien le solide était initialement au repos, alors il est mis en
mouvement;
- ou bien le solide était initialement en mouvement, alors son mouvement
est modifié. Toutes les caractéristiques de la vitesse du solide peuvent
alors être modifiées : le sens, la direction ou l'intensité.
Une force ou des forces, de somme vectorielle non nulle, qui s'exercent
sur un solide, modifient le vecteur vitesse de son centre d'inertie.
Exemple :
Lors du service au tennis, quand le cordage de la raquette frappe la balle,
celle-ci subit une force , ( F cordage / balle ) qui modifie son mouvement. Cette modification peut se
manifester sous différentes formes : on dit que la balle peut prendre plusieurs « effets » différents, comme
par exemple le lift ou le slice (Fig. 13).
Ces mouvements sont complexes. Nous nous limiterons aux conditions qui permettent de donner à un
solide un mouvement de translation ou de rotation autour d'un axe fixe.
a) Mise en mouvement de translation
Pour qu'un solide soit animé d'un mouvement de translation, il faut que tous ses points aient le même vecteur
vitesse à un instant donné.
Si, par exemple, on veut faire glisser un objet sans le faire tourner, la droite d'action de la force à exercer doit
passer par le centre d'inertie du solide (Fig. 14).
b) Mise en mouvement de rotation autour d'un axe fixe
Soit une roue d'axe de rotation fixe, passant par le centre d'inertie de la roue, et perpendiculaire à celle-ci
(Fig. 15). Si l'on exerce une force dont la droite d'action est parallèle à l'axe de rotation ( F 1 ) ,ou coupe
l'axe (F2), la roue ne tournera pas.
Dans tous les autres cas, la force provoquera un effet de rotation.
Exercice V (et VI)
20 P 63 (bordas espace) : pendule, méthode graphique