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Collège
Vol. 109 - Mars 2015 Dominique DUCOURANT et Nicolas CHEYMOL
Union des professeurs de physique et de chimie 1
Aéronautique et physique(1)
Autour du concept de force
par Dominique DUCOURANT
Responsable atelier BIA
Collège Joffre - 34000 Montpellier
[e-mail]
et Nicolas CHEYMOL
IA-IPR physique-chimie
Académie de Montpellier
[e-mail]
C
omment introduire le concept de force et l’appliquer à l’étude mécanique d’un avion
auprès d’un public d’élèves issu de plusieurs niveaux de classes (à partir de la classe de
quatrième jusqu’à la classe de terminale) ? C’est la question à laquelle je me suis trouvée
confrontée lors de l’atelier aéronautique mis en place au collège et au lycée Joffre de Montpellier :
atelier qui prépare les élèves au Brevet d’initiation aéronautique (BIA) [1]. L’objectif de cet article
est de montrer qu’il est possible de faire découvrir et d’exploiter le concept de force à des élèves
d’âge et de niveau scolaire différents, au travers d’un objet d’étude motivant, l’avion à l’aide
d’outils didactiques appropriés, ici : le Diagramme objet-interactions (DOI).
INTRODUCTION
Cet article s’inscrit dans la continuité d’une réflexion engagée autour du mot
concept [2] et d’une série d’articles que nous vous proposerons autour du thème
« physique et aéronautique ». En effet, le programme du BIA permet d’introduire,
d’utiliser et de comprendre plusieurs concepts appartenant à des domaines différents
de la physique abordés ou non au collège et au lycée. Dans la première partie de cet
article, c’est la démarche mise en œuvre pour aider les élèves à construire le concept
de force en physique qui sera développée ; dans les deuxième et troisième parties, le
réinvestissement du concept de force permettra aux élèves d’expliquer les mouvements
de l’avion, en palier, en montée et en descente, dans l’hypothèse d’un mouvement
rectiligne uniforme. Enfin, dans une quatrième et dernière partie, l’exploitation du
concept de force conduira à deux prolongements essentiels à maîtriser pour le pilote
afin d’assurer la sécurité du vol : l’étude de la polaire du profil de l’aile d’un avion et la
stabilité longitudinale d’un avion.
(1) Le plan de l’article est disponible sur le site de l’UdPPC.

Aéronautique et physique : autour du concept de force Le Bup n° 972
Union des professeurs de physique et de chimie2
1. INTRODUCTION DU CONCEPT DE FORCE
1.1. Démarche et progression
L’analyse du savoir enseigné en relation avec le fonctionnement de l’élève faite par
Andrée Tiberghien [3] Pierre Gaidioz et Jacques Vince correspond à l’esprit de l’atelier
aéronautique : « Nous avons considéré que l’une des clefs de la motivation d’un élève et
de sa réussite en sciences physiques consiste à lui permettre de prendre conscience de la
démarche proposée dans l’analyse d’une situation expérimentale (pour l’interpréter ou
pour en prévoir l’évolution) ainsi que de prendre conscience de sa propre démarche ».
C’est à partir de l’objet d’étude « avion », en cherchant à comprendre différentes
situations de vol, que les élèves vont s’approprier le concept de force. Pour aborder
l’étude des forces qui s’exercent sur l’avion dans les différentes configurations, voici la
progression choisie dans cet atelier :
♦En introduction de la première séance, une orange est posée sur la table du professeur.
La discussion avec les élèves commence par l’observation de cette orange, qui est vue
par tout le monde en tant qu’orange ; s’engage alors une discussion pour voir au-
delà de l’orange et ce que pourraient percevoir différents protagonistes ; un mathé-
maticien pourrait percevoir, par exemple, une sphère ; un physicien, la Terre ; et un
poète comme Paul Éluard, que voit-il ? Pour lui : « la Terre est bleue comme une
orange… » ; le but est que les élèves prennent conscience du glissement du monde
de l’observable au monde de la pensée.
♦En amont de l’étude des forces qui s’exercent sur un avion (partie 1), plusieurs ana-
lyses de situations sont proposées aux élèves, pour qu’ils puissent :
– assimiler la construction et l’intérêt du diagramme objet-interactions (DOI) ;
– réaliser le bilan des forces à partir du DOI et les représenter sur un schéma.
Trois situations ont été proposées : l’étude de la chute d’une pomme, puis l’étude de
l’équilibre d’un livre posé sur une table, et ensuite les différentes situations du hoc-
keyeur (cf. annexes 1 et 2).
♦En réinvestissement du concept de force (parties 2 et 3), les différentes phases de
vol d’un avion : palier, montée et descente sont expliqués ; toutefois, pour disposer
d’un problème gérable par les élèves, nous restons dans l’hypothèse d’un mouvement
rectiligne uniforme (MRU), pour lequel la somme des forces exercées sur l’objet
d’étude, l’avion, est nulle. Le choix du référentiel ne sera pas abordé avec les élèves.
Les transitions entre les phases, qui ne relèvent pas du MRU, mais de mouvement
non uniforme ne seront pas étudiées.
♦En prolongement (partie 4), deux applications pratiques en lien avec le concept de
force sont abordées :
– la construction et l’étude de la polaire d’un profil d’aile d’avion et l’intérêt de son

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utilisation pour le pilote ;
– l’étude de la stabilité longitudinale de l’avion avec l’introduction du concept de
moment d’une force.
Dix séances de deux heures ont été nécessaires pour développer cet ensemble.
Au travers de toutes les situations étudiées, l’objectif principal est de faire prendre
conscience aux élèves de l’existence de deux mondes, le monde de l’observable (objets
et événements observables) et le monde du modèle (de l’interprétation) pour expliquer
et prévoir les phénomènes. C’est donc une sensibilisation à la démarche du physicien.
1.2. De l’observable à l’interprétation
La force en physique n’a pas d’existence matérielle, on ne la voit pas ; elle n’est pas
une cause visible du mouvement, mais un concept inventé pour donner une interpré-
tation d’un mouvement ou de sa modification.
La difficulté pour les élèves va être d’accéder à ce concept, c’est-à-dire d’être
capable de passer du monde de l’observable au monde de l’interprétation en physique,
en proposant une modélisation de la situation observée. Comme l’ont mentionné
Andrée Tiberghien, Pierre Gaidioz et Jacques Vince [3] : « L’opération de modélisation
nécessite d’établir des relations entre des faits expérimentaux et des théories ; ces mises
en relations sont indispensables à un bon apprentissage de la physique et de la chimie.
En effet, c’est grâce à elles que l’élève donne du sens aux modèles. Or, la recherche a
montré qu’une des difficultés majeures que rencontre l’élève réside précisément dans
ce type d’opérations de mise en relation ».
1.3. Les différentes situations proposées aux élèves
Le concept de force par approche vectorielle n’est plus enseigné au collège ; les
élèves ne disposent pas des trois lois de Newton ; la difficulté pour le professeur va donc
être de trouver des situations qui permettront une conceptualisation progressive par les
élèves du concept de force.
Le diagramme objet-interactions est un outil intermédiaire pour accéder à ce
concept. La première situation proposée ci-dessous ne correspond pas à l’étude d’un
mouvement MRU, mais elle est un passage obligé pour que les élèves puissent appré-
hender, dans un premier temps la notion de force de pesanteur ou poids, puis dans un
deuxième temps d’accéder au principe d’inertie ou première loi de Newton.

Aéronautique et physique : autour du concept de force Le Bup n° 972
Union des professeurs de physique et de chimie4
1.3.1. Première situation : étude du mouvement d’une pomme qui tombe
Domaine de la perception Domaine de l’interprétation
Ce que je perçois :
je vois la pomme tomber
Ce à quoi la physique va répondre :
comment interpréter la chute de la pomme ?
?
Figure 1 - Comment passer de la réalité au modèle ?
L’objet d’étude est la pomme :
♦le diagramme objet-interactions permet de faciliter ce passage en créant un état
intermédiaire dans la démarche dont l’objectif est de recenser toutes les interactions
entre la pomme (l’objet d’étude ici) et les autres objets concernés, « extérieurs » à
l’objet d’étude ;
♦chaque flèche double entre la pomme et les objets « extérieurs » à la pomme traduit
l’existence de deux actions : l’une exercée par l’objet « extérieur » sur la pomme,
l’autre exercée par la pomme sur l’objet « extérieur ».
♦ici seules les actions exercées sur la pomme seront prises en compte.
Remarque : L’interaction entre la pomme et l’air est négligeable dans cette situa-
tion, devant l’interaction Pomme-Terre, le diagramme objet-interactions se réduit à la
figure 3.
Figure 2 - Diagramme objet-interactions
complet.
Figure 3 - Diagramme objet-interactions
simplié.
♦L’action exercée par la Terre sur la pomme est modélisée à l’aide de la force exercée
par la Terre sur la pomme, encore appelée poids.
♦La force est représentée par un vecteur qui possède quatre caractéristiques : une ori-

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gine, une direction, un sens et une intensité. Le poids est représenté par le vecteur
P
v
ou F/Terre pomme
v
de direction verticale, orienté vers le bas et d’intensité égale au produit
mg.
Réponse à la question posée
Puisqu’on considère seulement l’interaction entre la pomme et la Terre, la seule
force exercée sur la pomme est le poids encore appelée force de pesanteur.
L’observable Le diagramme
objet-interactions Le modèle
Figure 4 - Interprétation de la chute de la pomme.
1.3.2. Deuxième situation : étude de l’équilibre d’un livre posé sur une table
L’objet d’étude est le livre.
♦Comment interpréter l’équilibre du livre ?
L’observable Le diagramme objet-interactions
Figure 5 - Diagramme objet-interactions complet.
L’interaction entre le livre et l’air est négligeable dans cette situation devant les deux
autres interactions, le diagramme objet-interactions se réduit à la figure 6 (cf. page
ci-après).