Cours de physique

HAUTE ECOLE
DE LA PROVINCE DE LIEGE
ANNEE SCOLAIRE 2009-2010
X.RENARD
Physique appliquée
à l'Ergothérapie

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TABLES DES MATIERES
Tables des matières ............................................................................................. 2
Statique des fluides .............................................................................................. 4
1. Introduction ............................................................................................................................................... 4
2. Masse volumique ...................................................................................................................................... 4
3. Densité d'une substance ............................................................................................................................ 5
4. Le poids volumique ................................................................................................................................... 6
5. La pression dans les fluides ...................................................................................................................... 6
6. La pression atmosphérique ........................................................................................................................ 9
7. Le principe de Pascal ................................................................................................................................ 9
8. La poussée d'Archimède ......................................................................................................................... 11
9. Le poids apparent, la flottabilité.............................................................................................................. 12
10. QCM sur la statique des fluides .............................................................................................................. 13
Dynamique ......................................................................................................... 14
1. La dynamique et les lois de Newton ....................................................................................................... 14
2. La notion de force ................................................................................................................................... 14
3. Classification des forces.......................................................................................................................... 14
4. Caractéristiques d'une force .................................................................................................................... 15
5. Mesure de l'intensité d'une force et unité. ............................................................................................... 15
6. La première loi de Newton : le principe d'inertie .................................................................................... 16
7. La deuxième loi de Newton : la loi fondamentale de la dynamique. ...................................................... 18
8. La troisième loi de Newton : principe de l'action et de la réaction. ........................................................ 20
9. La loi de la gravitation universelle .......................................................................................................... 21
10. La force de réaction normale................................................................................................................... 22
11. La force de tension .................................................................................................................................. 22
12. Les forces de frottement .......................................................................................................................... 22
13. Résolution des exercices et problèmes de dynamique ............................................................................ 27
14. Exercices ................................................................................................................................................. 27
Statique ............................................................................................................... 29
1. Introduction ............................................................................................................................................. 29
2. Le moment d'une force ............................................................................................................................ 29
3. Conditions d'équilibre ............................................................................................................................. 31
4. Le centre de gravité ................................................................................................................................. 32
Travail-Energie-Puissance en mécanique ....................................................... 35
1. Le travail ................................................................................................................................................. 35
2. La puissance ............................................................................................................................................ 39
3. L'énergie Mécanique ............................................................................................................................... 40
4. Notion d'énergie mécanique .................................................................................................................... 42
5. Principe de conservation de l'énergie mécanique .................................................................................... 42
6. Théorème de l'énergie mécanique ........................................................................................................... 43
7. Exercices ................................................................................................................................................. 43
Les machines simples ........................................................................................ 44
1. Introduction ............................................................................................................................................. 44
2. L'avantage mécanique ............................................................................................................................. 44
3. Le plan incliné......................................................................................................................................... 44
4. Les leviers ............................................................................................................................................... 45
5. Le treuil ................................................................................................................................................... 47
6. La poulie ................................................................................................................................................. 48
7. Le rendement d'une machine simple ....................................................................................................... 51
Appendice 1 : Les vecteurs ............................................................................... 52
1. Rappel de la notion de vecteur. ............................................................................................................... 52
2. Addition de deux vecteurs de même ligne d'action, même intensité et des sens opposé........................ 52
3. Addition de vecteurs de même origine .................................................................................................... 52
4. Addition de vecteurs consécutifs ............................................................................................................ 53
5. Soustraction de vecteurs.......................................................................................................................... 53
6. Multiplication d'un vecteur par un scalaire ............................................................................................. 53

3
7. Composantes d'un vecteur ....................................................................................................................... 53
8. Exercices ................................................................................................................................................. 54
9. Le produit scalaire ................................................................................................................................... 55
10. Le produit vectoriel ................................................................................................................................. 56
Bibliographie ...................................................................................................... 57

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STATIQUE DES FLUIDES
1. INTRODUCTION
Les liquides et les gaz s'écoulent. C'est pourquoi on les appelle des fluides. La statique des fluides étudie les
fluides en équilibre, c'est-à-dire au repos.
De nombreux fluides sont présents au sein du corps humain : l'eau (60 à 80 % de la masse corporelle), le sang, la
salive, …, mais aussi l'air que nous respirons !
Dans un liquide, les molécules sont agitées et libres de se déplacer. Les forces intermoléculaires sont beaucoup
moins importantes que dans un solide.
 Les liquides ne sont pas expansibles, ils ont un volume propre et ils épousent toujours la forme de leur
contenant.
 Les liquides sont incompressibles, leur densité est indépendante de la pression.
Dans un gaz, les molécules sont très éloignées les unes des autres et très agitées dans tous les sens. Les forces
intermoléculaires sont quasi nulles.
 Les gaz possèdent la capacité d'occuper systématiquement la totalité du volume disponible: ils sont
expansibles, ils se dilatent pour remplir leur contenant.
 Les gaz sont compressibles, leur densité varie avec la pression.
2. MASSE VOLUMIQUE
La masse volumique d'un corps est la grandeur qui mesure le rapport entre la masse d'un corps et le volume
qu'il occupe. On pourrait dire que la masse volumique caractérise la concentration de la matière dans un volume
donné.
L'unité SI1 de la masse volumique est le kilogramme par mètre cube (kg/m3).
Pour un fluide incompressible, la masse volumique est constante.
Le tableau suivant présente les différentes valeurs de masse volumique pour différentes substances à 0°C et à la
pression atmosphérique moyenne.
Substances-états
masses volumiques
(kg/m3)
Substances-états
masses volumiques
(kg/m3)
Hydrogène (G)
0,09
Aluminium (S)
2,7.103
Hélium (G)
0,18
Fer (S)
7,86.103
Air (G)
1,29
Cuivre (S)
8,9.103
Oxygène (G)
1,43
Argent (S)
10,5.103
Bois de pin (S)
0,43.103
Plomb (S)
11,3.103
Alcool éthylique (L)
0,8.103
Mercure (L)
13,6.103
Sang (L)
1,05.103
Or (S)
19,3.103
Eau de mer (L)
1,025.103
Platine (S)
21,4.103
(G) : Gaz (L) : Liquide (S) : Solide
Question : Interpréter les valeurs observées dans le tableau.
1 SI : système international d'unités
V
m

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2.1. Mesure simple de la masse volumique d'un liquide : méthode du flacon jaugé (au labo)
On utilise un flacon gradué en ml par exemple.
 peser le flacon vide : m1
 remplir le flacon d'un certain volume V du liquide dont on veut calculer la masse volumique
 peser le flacon rempli : m2
 masse du liquide : m = m2 –m1
On en déduit la masse volumique :
V
m
3. DENSITE D'UNE SUBSTANCE
La densité d'une substance est le rapport entre la masse volumique de cette substance et la masse du même
volume d'eau (prise comme référence).
Remarque : eau = 1000 kg/m3, 1 kg/dm3 ou 1g/cm3 à 4°C et 1 atm.
d est un nombre sans dimension ("sans unité")
D'après la formule, il est évident que la densité de l'eau pure à 4°C et à 1 atm est égale à 1.
 Si un objet a une densité supérieure à 1, il coule dans l'eau.
 Si sa densité est inférieure à 1, il flotte à la surface de l'eau.
Comme la masse volumique de l'eau est égale 1 g/cm3 ou 1000 kg/m3, la densité de n'importe quelle substance
équivaut exactement à l'expression numérique de sa masse volumique en g/cm3 ou à 10-3 fois cette valeur
exprimée en kg/m3.
Par exemple, le mercure (Hg) a une masse volumique de 13600 kg/m³, soit 13,6.10³ kg/m³ et une densité de 13,6.
Le corps humain est légèrement moins dense que l'eau, surtout quand les poumons sont remplis d'air et donc il
flotte. La densité moyenne varie d'une personne à l'autre. La graisse du corps, qui représente environ 18 % pour
l'homme et 28 % pour la femme, a une densité de 0,8. Les muscles et les os ont une densité respective de l'ordre
de 1 et 1,5-2. Un corps maigre et musclé a tendance à couler. En général, les jeunes gens et les femmes ont une
densité plus basse que la moyenne, mais 0,98 est une valeur courante (avec les poumons remplis d'air).
Une personne flotte avec au plus 2 % de son corps hors de l'eau. La densité de l'eau de mer étant plus élevée que
celle de l'eau pure, une plus grande partie du corps (de l'ordre de 4 %) flotte hors de l'eau.
Le problème des humains, en nageant, est de garder la tête, qui est dense, au-dessus de l'eau pour pouvoir
respirer.
Exercices :
1) Le sang a une densité égale à environ 1,059. Que vaut sa masse volumique en kg/m³, g/m³, kg/dm³ et g/dm³ ?
2) On ajoute 22,5 cm3 d'étain à 30 cm3 de plomb dont la densité est de 11,4. La soudure de plombier ainsi
obtenue a comme densité 9,6. Que vaut la densité de l'étain ? (Rép. : 7,2)
eau
ρ
ρ
d