Physique: Mais c`est bien s]ûr - Les forces ça se

Physique, Mais c’est bien sûr !
TFS : DT01-162001.01
Les forces, ça se maîtrise
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SOMMAIRE
1. Science physique
2. Mécanique
3. Les forces
4. Différents types de forces
5. Représentation graphique d’une force
6. Principe action – réaction
7. Composition de forces
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1 - Science physique
• La science physique a pour objet l’étude de la matière et de l’espace
temps.
• Les différents chapitres de la physique sont les suivants : Métrologie
(mesure des grandeurs), Mécanique, Etude de la structure de la matière,
Thermodynamique, Physique vibratoire, Electricité, Acoustique, Optique,
Physique nucléaire,…….
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2 - Mécanique
Au sens des sciences physiques, la mécanique a pour objet l’étude des
mouvements des corps, leurs relations et les forces qui les produisent.
Elle comprend 3 parties :
-la statique
-la cinématique
-la dynamique
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3 - Les forces
Ce sont des causes qui produisent des effets.
On ne voit pas les forces, on observe leurs effets.
• Les effets peuvent être :
-
la création d’un mouvement
la modification d’un mouvement
le maintien en équilibre d’un solide
la déformation d’un solide
• L’effet d’une force dépend de ses caractéristiques :
-
sa direction (ou ligne d’action)
son sens
son intensité
son point d’application
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• L’intensité d’une force s’exprime en Newton, notée N.
Souvent, on utilise des préfixes :
− déca, qui signifie 10 et qui se note «da » : 10 N = 1 daN
− kilo, qui signifie 1 000 et qui s ‘écrit « k » : 1 000 N = 1 kN
• L’intensité d’une force peut être mesurée avec un dynamomètre.
Le principe du dynamomètre est basé sur la proportionnalité entre
la force appliquée à un ressort et l’allongement que cela provoque.
• Synonymes de "force":
Suivant le contexte, une force peut prendre différents noms :
Ex. action - effort - réaction - traction - poussée - tension - …
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4 - Différents types de forces
Une force peut être :
- de contact ou à distance
Ex. : L’action d’un solide sur un autre solide représente une force
de contact.
L’attraction d’un aimant sur un objet métallique est une force
à distance.
- localisée ou répartie
Ex. : Le pied d’un footballeur exerce sur le ballon une force localisée.
Le vent exerce sur la voile d’un bateau une force répartie.
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5 - Représentation graphique d’une force : le vecteur
Une force se représente par un vecteur.
• Un vecteur est un segment de droite orienté (qui a une direction
donnée)
B
V
A
• Il a une origine et une extrémité, ce qui lui détermine un sens.
• On note AB = V
: A est l'origine, B est l'extrémité
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Une force F se note F
• La direction de la force est confondue avec sa ligne d’action.
• Le sens du vecteur force est celui avec lequel agit la force.
• La longueur du vecteur est proportionnelle à l’intensité de la force
qu’il représente.
EX. Si une force de 10 N est représentée par un vecteur de 3 cm,
une force de 20 N sera représentée par un vecteur de 6 cm.
• F désigne l’intensité de la force F.
• Le point d’application de la force est matérialisé :
− soit par l’origine du vecteur force
− soit par l’extrémité du vecteur force
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6 - Principe action – réaction
Quand un corps A exerce sur un corps B une force FA/B, le corps B exerce
sur le corps A une force FB/A telle que :
• les 2 forces ont :
− même ligne d’action (elles sont colinéaires)
− même intensité
− même point d’application
• elles sont de sens opposé
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7 - Composition de forces
D’une manière générale, un solide est soumis à plusieurs forces, à un système
de forces.
• Pour analyser l’effet de ce système de forces, on détermine la résultante
des forces; c’est une force équivalente.
• Cette force équivalente aurait le même effet que l’ensemble de toutes
les forces.
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Détermination de la résultante
1 - Cas de 2 (ou plusieurs) forces de même direction et de même sens :
− Les forces étant sur le même support ou sur des supports
parallèles, la résultante est portée par un support parallèle,
elle a donc même direction.
− Les forces ayant toutes le même sens, la résultante a
le même sens que les forces du système.
− L’intensité de la résultante est la somme des intensités
des différentes forces.
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2 - Cas de 2 forces de même direction et de sens opposé :
− Les forces étant sur le même support ou sur des supports
parallèles, la résultante est portée par un support parallèle,
elle a donc même direction.
− La résultante a le même sens que la force de plus grande
intensité.
− L’intensité de la résultante est égale à la différence des
intensités des 2 forces.
En généralisant, l’intensité de la résultante est égale à la somme algébrique
des intensités des différentes forces:
- on choisit arbitrairement un sens positif
- les intensités des forces ayant même sens sont comptées positivement
- les intensités des forces de sens opposé sont comptées négativement.
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3 - Cas général de 2 forces n'ayant pas la même direction:
F2
F1
Deux méthodes permettent de déterminer la résultante de 2 forces n'ayant
pas la même direction:
− la méthode du parallélogramme
− la méthode du polygone des forces, qui s'applique également à un
système à plus de 2 forces.
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1ère méthode: méthode du parallélogramme :
1°) Tracer 2 vecteurs égaux aux vecteurs représentants F1 et F2
(mêmes directions, mêmes sens, mêmes longueurs) ayant même origine.
Construction
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2°) Terminer le parallélogramme ainsi esquissé :
Construction
F2
F1
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3°) Tracer la diagonale du parallélogramme ayant même origine que les 2
vecteurs de base :
Construction
F2
F1
Le vecteur F3 ainsi obtenu représente la somme géométrique
des 2 vecteurs représentant respectivement les forces F1 et F2.
C’est un vecteur représentant la résultante des forces F1 et F2 .
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2ème méthode: méthode du polygone des forces (à privilégier,
surtout dans le cas d'un système de plus de 2 forces)
1°) Positionner le deuxième vecteur au bout du premier (l’origine
du deuxième coïncide avec l’extrémité du premier) :
Construction
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2°) Joindre l’origine du premier vecteur à l’extrémité du second :
F2
Construction
F1
Le vecteur F3 ainsi obtenu représente la somme géométrique des
2 vecteurs représentant respectivement les forces F1 et F2.
C’est un vecteur représentant la résultante des forces F1 et F2 .
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Généralisation au cas de 3 forces (ou plus) :
F3
F3
F2
Suite
F1
F1
1 - Système de forces
F2
2 - Mise bout à bout des vecteurs
(extrémité de l'un = origine du suivant)
F3
3 - F4 est la résultante
des forces F1, F2 et F3
F4
F1
F2
Cette méthode est la construction d'une somme géométrique (ou vectorielle).
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Glossaire
Cinématique :
Etude des mouvements sous leur aspect descriptif (sans se préoccuper des
causes qui les créent)
Dynamique :
Etude de la relation entre les forces et les mouvements qu ‘elles engendrent.
Equilibre :
Etat d’un corps au repos.
Equilibre et mouvement sont 2 mots de sens opposé.
Mouvement :
Un point matériel, ou un solide, est en mouvement si, à 2 instants différents,
sa position par rapport à un repère est différente.
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Proportionnalité :
Caractère des grandeurs proportionnelles entre elles.
Proportionnel(le) : qualifie une grandeur, une quantité liée à une autre par un
rapport déterminé (proportion).
• L’allongement d’un ressort est proportionnel à l’intensité de la force
qu’on applique au ressort.
• La longueur d’un vecteur est proportionnelle à l’intensité de la force
qu’il représente (échelle).
Statique :
Etude des systèmes en équilibre. On dit encore « au repos ».
Vecteur :
« outil » mathématique, servant à matérialiser des grandeurs orientées.
Il est représenté par un segment de droite orienté :
• La droite qui le supporte définit la direction,
• Une flèche indique le sens,
• La longueur du segment définit le module.
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