Mouvement, vitesse et forces !

Travaux
pratiques n°1
Mouvement, vitesse et forces !
Seconde
La pratique du sport
Objectif : établir un lien entre le mouvement d’un objet et les forces auxquelles il est soumis.
A. Dans quelles conditions le mouvement d’un bille peut-il être « perpétuel » ?
Voici un extrait du Dialogue sur les deux grands systèmes du monde de Galilée publié en 1632, dans lequel Salviati
représente un personnage aux idées novatrices et Simplicio un personnage aux idées plus traditionnelles de l’époque.
1
5
10
15
20
25
30
Salviati : […] Dites-moi : supposez une surface plane, polie comme un miroir, faite d’un matériau dur comme l’acier, et qui
ne soit pas parallèle { l’horizon, mais légèrement inclinée ; vous posez dessus une bille parfaitement sphérique, d’un
matériau lourd et très dur, en bronze par exemple ; si vous abandonnez la bille à elle-même, que croyez-vous qu’elle
fasse ? Ne croyez-vous pas, comme moi, qu’elle va rester immobile ? […]
Simplicio : Je ne crois pas qu’elle resterait immobile ; je suis certain au contraire que spontanément elle irait dans le sens
de la pente. […]
Salviati : […] Pendant combien de temps continuerait-elle à se mouvoir et à quelle vitesse ? Faites bien attention : j’ai parlé
d’une bille parfaitement ronde et d’un plan soigneusement poli, afin d’écarter tous les obstacles extérieurs et accidentels ;
je veux aussi que vous fassiez abstraction de l’obstacle de l’air et de la résistance qu’il oppose { se laisser ouvrir […].
Simplicio : J’ai bien compris ; à votre question je réponds que la bille continuerait à se mouvoir { l’infini, du moins tant que
durerait l’inclinaison du plan ; son mouvement serait continuellement accéléré […].
Salviati : Supposons maintenant que, sur la même surface, on veuille que la bille aille vers le haut : croyez-vous qu’elle le
puisse ?
Simplicio : Pas spontanément ; elle ira vers le haut que si on tire ou la lance violemment. […]
Salviati : Jusqu’{ présent vous me paraissez avoir expliqué ce qui arrive { un mobile qui roule sur deux plans différents :
sur le plan descendant, le corps lourd en mouvement descend spontanément en accélérant continuellement et, pour le
tenir en repos, il faut recourir à une force ; mais sur le plan ascendant, il faut une force pour le faire avancer, et même pour
le retenir, et le mouvement qui lui a été imprimé diminue continuellement jusqu’{ s’annihiler finalement. […] Mais ditesmoi ce qui arriverait à un mobile sur une surface qui ne monterait ni ne descendrait.
Simplicio : Il me faut ici réfléchir un peu. Puisqu’il n’y a pas de pente vers le bas, il ne peut y avoir inclination naturelle au
mouvement, et, puisqu’il n’y a pas de pente vers le haut, il ne peut y avoir non plus de résistance au mouvement ; le mobile
se trouverait donc indifférent entre la propension et la résistance au mouvement : il me semble par conséquent qu’il
devrait naturellement resté arrêté. […].
Salviati : Je suis d’accord, pourvu que la bille soit posée { l’arrêt sur le plan ; mais si on lui donnait de l’élan dans une
certaine direction, que se produirait-il ?
Simplicio : Elle irait dans cette direction.
Salviati : Mais avec quelle sorte de mouvement ? Avec un mouvement continuellement accéléré, comme sur le plan
descendant, ou bien avec un mouvement de plus en plus retardé comme sur le plan montant ?
Simplicio : Je n’arrive pas { trouver de cause ni d’accélération ni de ralentissement, puisqu’il n’y a ni montée ni descente.
Salviati : Oui. Mais s’il n’y a pas de cause de ralentissement, encore moins devrait-il y avoir de cause de repos : combien de
temps, à votre avis, durerait son mouvement ?
Simplicio : Aussi longtemps que durerait la longueur de la surface, sans monter ni descendre.
Salviati : Si donc l’on supposait cet espace sans fin, le mouvement sur cet espace serait également sans fin, c’est-à-dire
perpétuel ?
Simplicio : Il me semble que oui, pourvu que le mobile soit d’un matériau qui puisse durer.
 Quelle est le système d’étude ? Dans quel référentiel raisonnent les personnages ?
 Réaliser les diverses expériences proposées par Galilée avec le matériel à votre disposition.
 Comment vérifier avec précision les informations données par Salviati sur la vitesse de la bille dans les différents
cas ?
 Pour les différents cas, identifier les forces qui s’exercent sur la bille, donner leurs caractéristiques, les
schématiser et préciser les caractéristiques du mouvement de la bille (nature de la trajectoire et évolution de la
vitesse). Consigner vos réponses dans un tableau.
 Existe-t-il un lien entre les forces qui s’exercent sur la bille et son mouvement ? On rappelle que dire que des
forces se compensent signifie que leur somme vectorielle est égale au vecteur nul.
B. La masse de la bille a-t-elle une influence sur le mouvement ?
Dans la partie précédente nous avons étudier le lien entre les forces qui s’exercent sur la bille et la nature de son
mouvement en utilisant la même bille. Mais est-ce que la masse de la bille a une influence sur sa mise en mouvement ou
sur la modification de son mouvement ?
Balles
 En utilisant le dispositif ci-contre, souffler simultanément un bref instant dans Polystyrène
les deux pailles. Noter vos observations.
Paille
 Lancer une boule puis souffler dessus avec la paille dans une direction
s
perpendiculaire au mouvement pour la faire dévier. Recommencer avec l’autre
boule en soufflant de la même façon. Noter vos observations.
 Conclure en répondant { la question de l’introduction de cette partie.
 On dit que la masse d’un corps caractérise son inertie, c’est-à-dire la propriété d’un
corps à résister à une modification de son état de mouvement. Quelle est la boule qui a la plus grande inertie ?
TP n°1 – Thème n°2 – La pratique du sport – Seconde
C.
Conclusions.
 Une force s’exerçant sur un corps peut modifier la valeur de ....................................................................
et
........................................................................................... de son mouvement.
 Si un corps (ou un système) est ...................................................................... par rapport au référentiel d’étude, les forces qui
s’exercent sur lui ...............................................................................................
 Si un corps est en mouvement .................................................................................. et .................................................................... par rapport
au référentiel d’étude, les forces qui s’exercent sur lui ............................................................................................................
 Si un corps n’est pas en mouvement .................................................................................... et ...................................................................... par
rapport au référentiel d’étude, les forces qui s’exercent sur lui .............................................................................................................
 La …………………….……………… d’un corps caractérise son ………………………….………….., c’est-à-dire la propriété du corps à
………………….…………. { une …………………………..……………… de son état de mouvement. L’effet d’une ……………..……….………..
sur le mouvement d’un corps est d’autant plus ……………………….. que la ……..……………. du corps est ………………………………
D. Énoncer du principe d’inertie.
Les conclusions précédentes se synthétisent sous la forme d’un principe, appelé principe d’inertie. Compléter la
formulation de ce principe :
Tout corps persévère dans son état de ............................................................ ou de mouvement ............................................................ et
...................................................... (………..) si les forces qui s’exercent sur lui ......................................................................................................
E.
Application du principe d’inertie.
Commenter les remarques de Garfield en utilisant le principe d’inertie.
Les forces se compensent-elles ?
Dans chacune des situations décrites on s’intéresse au mouvement de translation d’un objet ou d’un personnage supposé
indéformable dans le référentiel terrestre. D’après chaque description du mouvement vous devez pouvoir dire si l’objet
ou le personnage sont soumis ou non à un ensemble de forces qui se compensent :
 un skieur descend une piste rectiligne, sa vitesse augmente de 2 m/s toutes les secondes,
 un skieur remonte une piste grâce au « tire-fesse » qui le tracte rectiligne ment à vitesse constante,
 un palet de hockey sur glace décrit une trajectoire rectiligne à vitesse constante.
 une fusée décolle,
 une voiture décrit un virage à la vitesse de
80 km/h,
Tintin et le principe d’inertie…
Voici quelques scènes extraite de " on a marché sur la
Lune" d’Hergé (1964). La fusée se déplace à vitesse
constante, loin de tout astre.
1. Quel est le mouvement du Capitaine Haddock par
rapport au lecteur (référentiel supposé fixe dans
l’espace) avant de se jeter hors de la fusée ?
2. Une fois jeté dans l’espace, est-il soumis à des
forces ?
3. Quel doit être alors son mouvement d’après le
principe d’inertie ?
4. Quelle phrase confirme votre conclusion ?
TP n°1 – Thème n°2 – La pratique du sport – Seconde
La bille
est au repos ou immobile sur la plan horizontal
est sur la plan horizontal avec une certaine vitesse initiale
Forces exercées
sur la bille
Caractéristiques :
 Point d’application
 Direction
 Sens
 Valeur
Sens du mouvement
Schéma
G
Trajectoire
Évolution
de la vitesse
Mouvement
TP n°1 – Thème n°2 – La pratique du sport – Seconde
G
La bille
descend le plan incliné
remonte le plan incliné
Forces exercées
sur la bille
Caractéristiques :
 Point d’application
 Direction
 Sens
 Valeur
Schéma
Sens du
mouvement
Sens du
mouvement
G
Trajectoire
Évolution
de la vitesse
Mouvement
TP n°1 – Thème n°2 – La pratique du sport – Seconde
G
Correction
A. Dans quelles conditions le mouvement d’un bille peut-il être « perpétuel » ?
 Le système d’étude est la bille. Les personnages raisonnent dans le référentiel terrestre (ou du laboratoire).
 On peut vérifier avec précision les informations données par Salviati sur la vitesse de la bille dans les différents
cas { l’aide d’acquisitions vidéos, puis pat traitement des vidéos par un logiciel spécifique comme Généris5+.
 Voir le tableau page suivante.
 Oui il existe un lien entre les forces qui s’exercent sur la bille et son mouvement, d’après le tableau précédent :
 si les forces se compensent la bille est immobile ou en mouvement rectiligne à vitesse constante ;
 sinon le mouvement est accéléré ou ralenti.
B. La masse de la bille a-t-elle une influence sur le mouvement ?
 La balle de ping-pong est mis en mouvement plus rapidement que la balle plastique.
 La trajectoire de la balle de ping-pong est plus modifiée que celle de la balle plastique.
 Oui la masse de la bille a une influence sur sa mise en mouvement ou sur la modification de son mouvement. En
effet plus la masse de la balle est importante, plus on a du mal à la mettre en mouvement ou à modifier son
mouvement.
 La boule qui a la plus grande inertie est celle qui à la plus grande masse, donc la balle plastique.
C.
Conclusions.
 Une force s’exerçant sur un corps peut modifier la valeur de sa vitesse et modifier de son mouvement.
 Si un corps (ou un système) est immobile par rapport au référentiel d’étude, les forces qui s’exercent sur lui se
compensent.
 Si un corps est en mouvement rectiligne et uniforme par rapport au référentiel d’étude, les forces qui s’exercent sur lui
se compensent.
 Si un corps n’est pas en mouvement rectiligne et uniforme par rapport au référentiel d’étude, les forces qui s’exercent
sur lui ne se compensent pas.
 La masse d’un corps caractérise son inertie, c’est-à-dire la propriété du corps à s’opposer à une modification de son état
de mouvement. L’effet d’une force sur le mouvement d’un corps est d’autant plus important que la masse du corps est
faible.
D. Énoncer du principe d’inertie (ou première loi de Newton).
Tout corps persévère dans son état de repos ou de mouvement rectiligne et uniforme (MRU) si les forces qui s’exercent
sur lui se compensent.
E.
Application du principe d’inertie.
Commenter les remarques de Garfield en utilisant le principe d’inertie.
Garfield fait un raccourci : c’est la première loi de Newton et non la première loi de la physique. D’autre part effectivement si
un corps est au repos les forces qui s’exercent sur lui se compensent et restera au repos tant qu’il ne subira pas d’autre force.
Les forces se compensent-elles ?





Un skieur descend une piste rectiligne, sa vitesse augmente de 2 m/s toutes les secondes : non car la vitesse n’est
pas uniforme (ou constante).
Un skieur remonte une piste grâce au « tire-fesse » qui le tracte rectiligne ment à vitesse constante : oui car il est
en MRU.
Un palet de hockey sur glace décrit une trajectoire rectiligne à vitesse constante : oui car il est en MRU.
Une fusée décolle : non car elle accélère, même si sa trajectoire est une droite.
Une voiture décrit un virage à la vitesse de 80 km/h : non car sa trajectoire n’est pas une droite.
Tintin et le principe d’inertie…
1.
2.
3.
4.
Avant de se jeter hors de la fusée le Capitaine Haddock a un MRU par rapport au lecteur.
Une fois jeté dans l’espace, il est soumis à aucune force.
D’après le principe d’inertie il doit être en MRU.
La phrase qui confirme la conclusion est : « He’s floating about ten yards from the rocket, going at the same speed as
ourselves ».
TP n°1 – Thème n°2 – La pratique du sport – Seconde
La bille
est au repos ou immobile sur la plan horizontal
La Terre agit sur la bille. Cette
Le plan agit sur la bille. Cette action
action est représentée par une
est représentée par une force
force appelée le poids de la bille et
noté : .
appelé la réaction du plan et noté :
R.
 Point d’application
Le centre de la bille G appelé
centre de gravité ou d’inertie
 Direction
La verticale passant par G
Forces exercées
sur la bille
est sur la plan horizontal avec une certaine vitesse initiale
Le poids de la bille : .
La réaction du plan : .
Le centre de la bille G appelé centre
de gravité ou d’inertie
Le point G
Le point G
La verticale passant par G
La verticale passant par G
La verticale passant par G
De bas en haut
De haut en bas
De bas en haut
Caractéristiques :
 Sens
De haut en bas
,
 Valeur
,
,
,
,
,
1 cm représente 0,05 N
Schéma
G
Sens du mouvement
G
1 cm représente 0,05 N
Trajectoire
Un point
Une droite
Évolution
de la vitesse
Pas d’évolution
La vitesse reste constante
Mouvement
Aucun
Mouvement rectiligne uniforme
TP n°1 – Thème n°2 – La pratique du sport – Seconde
La bille
Forces exercées
sur la bille
descend le plan incliné
remonte le plan incliné
Le poids de la bille : .
La réaction du plan : .
Le poids de la bille : .
La réaction du plan : .
Le point G
Le point G
Le point G
Le point G
La verticale passant
par G
La droite passant par G et
perpendiculaire au plan incliné
La verticale passant
par G
La droite passant par G et
perpendiculaire au plan incliné
De haut en bas
Du plan vers G
De haut en bas
Du plan vers G
Caractéristiques :
 Point d’application
 Direction
 Sens
 Valeur
,
,
1 cm représente 0,05 N
1 cm représente 0,05 N
G
Schéma
Sens du
mouvement
Sens du
mouvement
G
Trajectoire
Une droite
Une droite
Évolution
de la vitesse
La vitesse augmente régulièrement
La vitesse diminue régulièrement
Mouvement
Mouvement rectiligne accéléré
Mouvement rectiligne ralenti
TP n°1 – Thème n°2 – La pratique du sport – Seconde