Leçon – Bloc sur ressorts

Physique 1 de 10
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Leçon – Bloc sur ressorts
L’applet Bloc sur ressorts simule les forces qui s’exercent sur un bloc qui se
déplace verticalement.
Préalables
L’élève devrait connaître les concepts d’accélération et de force, et le lien qui existe
entre eux en vertu des deuxième et troisième lois du mouvement de Newton. Il devrait
aussi bien connaître la force gravitationnelle et le concept de poids.
Résultats d’apprentissage
L’élève apprendra ce qu’est la force normale et la façon d’utiliser la deuxième loi de
Newton pour calculer la force normale qui s’exerce sur un objet accéléré verticalement.
Il approfondira ses connaissances des deuxième et troisième lois de Newton.
Directives
L’élève devrait connaître les fonctions de l’applet, telles que décrites dans l’option Aide.
Les directives point par point présentées dans le texte qui suit doivent être exécutées
dans l’applet.
Contenu
Définition des deuxième et troisième lois de Newton
Qu’est-ce qu’une force normale?
Mesure de la force normale
Calcul de la force normale
Définition des deuxième et troisième lois de Newton
Hier
Immédiatement après ta naissance, l’un des tout premiers dispositifs
techniques avec lequel tu as été en contact était une balance.
Comment une balance fonctionne-t-elle? Est-ce que toutes les
balances fonctionnent de la même façon? La balance que tu utilises
pour te peser aujourd’hui est probablement fort différente de celle qui a
été utilisée à ta naissance. Cependant, le fonctionnement de toutes les
balances repose sur les mêmes principes physiques. Pour bien

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aujourd’hui.
comprendre ces principes, il faut réviser les deuxième et troisième lois
de Newton.
La deuxième loi de Newton énonce que, si une force externe, non équilibrée, s’exerce
sur un objet, celui-ci accélère.
Sous forme d’équation, elle s’exprime :
aF
r
r
m= (1)
Quantité Symbole Unité SI
Force non
équilibrée
F
r
N
Masse m kg
Accélération
a
r
m/s
2
En outre, la somme de toutes les forces qui s’exercent sur une particule ou un gros objet
est appelée force nette ou force totale s’exerçant sur la particule ou sur l’objet. La force
nette est la somme vectorielle des forces individuelles.
Sous forme d’équation, elle s’exprime :
...
321
FFFF
r
r
r
r
++=
net
(2)
(Note que
321
,FFF
r
r
r
et sont toutes des forces réelles résultant de l’interaction entre
deux objets et, dans le cas d’un objet rigide qui n’est pas en rotation, l’endroit où la
force s’exerce sur l’objet n’a pas d’importance.)
La troisième loi de Newton énonce que, si un objet exerce une force sur un deuxième
objet, ce dernier exerce une force de direction opposée et de grandeur égale sur le
premier objet.
La troisième loi de Newton est souvent appelée la « loi d’action-réaction ». S’il n’est pas
expliqué clairement ce que signifie cette expression, elle peut être interprétée de toutes
sortes de façons, dont la plupart sont différentes de celle prévue par la troisième loi de

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Newton. Toutefois, pour être plus bref, dans la présente leçon, nous utilisons
l’expression force de réaction pour désigner la force associée à une force donnée telle
que définie par la troisième loi de Newton.
Il convient aussi de souligner que les forces sont le résultat des interactions entre une
paire d’objets. L’interaction entre une paire d’objets donne toujours lieu à deux forces
de grandeur égale et de direction opposée. L’une de ces forces s’exerce sur l’un des
objets et l’autre, sur l’ autre objet.
Par exemple, à la figure 1, un astronaute
exerce une force
F
r
sur un satellite et le
satellite exerce une force égale, mais
opposée
F
r
−
sur l’astronaute.
Figure 1
Qu’est-ce que la force normale?
Nous allons maintenant utiliser l’applet pour étudier la force normale et voir comment
les deuxième et troisième lois de Newton s’y rapportent.
Dans l’applet, clique sur le bouton ( ). L’accélération et la vitesse
vectorielle devraient être nulles. Clique sur Mise en marche ( ) et constate que rien
ne se passe. Le système table-ressorts-bloc reste au repos. Étudie le schéma
d’équilibre présenté plus bas, à la figure 2. Il montre une force dirigée vers le haut, de
grandeur N = 19,6 N, et une force dirigée vers le bas, de grandeur égale à W = 19,6 N,
s’exerçant sur le bloc.
Pourquoi ces deux forces ont-elles la même grandeur? Fonde ta réponse sur la
deuxième loi de Newton. (Indice : Quelle est l’accélération du système bloc-ressorts-
table d’après la figure 2?)

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Figure 2
Explique pourquoi la troisième loi de Newton n’a rien à voir avec ta
réponse à l’exercice 1.
Il pourrait être tentant de penser que la troisième loi de Newton s’applique à la figure 2,
parce qu’elle porte sur deux forces de direction opposée et de même grandeur,
c’est-à-dire ce que montre la figure 2. Cependant, dans le cas de la troisième loi de
Newton, les deux forces s’exercent sur des corps différents , alors que les deux forces
illustrées à la figure 2 s’exercent sur le même corps, à savoir le bloc.
Par conséquent, c’est la deuxième loi de Newton qui s’applique à la figure 2. Cette loi a
trait aux forces qui s’exercent sur un seul et même corps. Appliquons cette loi au bloc.
Notre première tâche consiste à trouver toutes les forces qui s’exercent sur le bloc. Si
nous ignorons les forces exercées sur le bloc par l’air environnant, alors les deux forces
illustrées dans le schéma d’équilibre sont effectivement les seules forces qui s’exercent
sur le bloc.
Premièrement, nous avons la force gravitationnelle, ou poids, qui est
représentée par
W
r
. Ce genre de force s’exerce sur tout objet ayant une
masse. La relation entre le poids d’un objet et sa masse est donnée par :
gW
r
r
m= (3)

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Ensuite, nous avons la force que les ressorts exercent sur le bloc.
Représentons cette force par
N
r
. Elle est appelée force normale . Le mot
« normale » signifie ici perpendiculaire. La force est perpendiculaire à la
surface inférieure du bloc.
Commentaire : En mathématiques, la direction perpendiculaire à une surface est
appelée direction « normale » et c’est la raison pour laquelle la force exercée sur le bloc
par les ressorts est appelée force normale. De nombreuses autres forces sont appelées
« forces normales », simplement parce qu’elles sont perpendiculaires à une surface. Ne
perds pas de vue que l’expression « force normale » ne désigne pas une catégorie
spéciale de force, mais simplement la direction d’une force.
La force normale totale
N
r
qui s’exerce sur le bloc
est égale à la somme des forces normales
N
r
1
,
N
r
2
et
N
r
3
exercées par les ressorts individuels sur
le bloc,
N
r
=
N
r
1
+
N
r
2
+
N
r
3
. (4)
Ces forces normales individuelles sont illustrées
à la figure 3, mais ne sont pas présentées dans
l’applet.
L’équation (4) donne une preuve supplémentaire
que la force normale n’est pas reliée à la force
gravitationnelle par la troisième loi de Newton.
Les forces normales individuelles ne peuvent pas
être appariées individuellement avec la force
gravitationnelle.
Figure 3
En fait, la force gravitationnelle n’est pas une force unique non plus, mais la somme des
forces gravitationnelles qui s’exercent sur tous les atomes du bloc. Il existe un
beaucoup plus grand nombre de forces gravitationnelles individuelles qu’il n’existe de
forces normales agissant sur le bloc. La force gravitationnelle totale est une force de
volume , parce qu’elle est répartie dans tout le volume du bloc, tandis que la force
normale est une force de surface , parce qu’elle est répartie sur la surface inférieure du
bloc.
Force de
volume
Force de
surface
Figure 4