Notion de force

Module :
Sciences expérimentales et
technologie
les objets techniques: la mécanique
Notion de force
 Leviers et balances
Etude du mouvement:
- transmission
- transformation
OBJECTIFS
• Remise à jour des connaissances
en sciences
• Maîtrise des connaissances de
base
• Faire le lien entre les différentes
connaissances
• S’approprier et utiliser des
notions scientifiques
Notion de force
Qu’est-ce qu’une force ?
C’est une action mécanique qu’exerce un objet sur un autre
objet.
Celui qui subit l’action peut connaître plusieurs effets:
 Mise en mouvement
 Modification du mouvement
 Déformation
L’objet subissant l’action peut avoir les trois effets en même
temps.
Remarque:
– La force peut-être de contact ou à distance.
– La force peut s’appliquer sur toute la surface ou de manière
ponctuelle sur un objet.
Quelles sont les caractéristiques
d’une force?
Un sens : droite, gauche, bas , haut …
Une droite d’action : verticale, horizontale …
Un point d’application
Une intensité : valeur qui s’exprime en newton
(symbole unité: N). L’intensité d’une force se mesure à
l’aide d’un dynamomètre.
On représente cette force par un segment fléché
appelé vecteur-force. La longueur du segment fléché est
proportionnelle à l’intensité de la force.
L’aimant attire le clou en fer qui est mis en
mouvement.
Représentation d’une force:
F m/e : c’est la force exercée par la main sur l’élastique.
Caractéristiques de cette force :
Sens : va de la droite vers la gauche,
Droite d’action : elle est horizontale
Point d’application de cette force : est le point de contact entre le doigt et l’élastique.
Quelques exemples de forces
 Force gravitationnelle : action à distance à l’origine
cohésion de l’Univers. Exercée par des corps
massiques ( planètes, étoiles)
 Force de frottements: action de contact , exemple
action de la roue d’une voiture sur la route.
 Réaction du support: action de contact, exemple
une pomme posée sur une table subit une action
de la table l’empêchant de tomber.
 Poussée d’Archimède: action de contact exercée
par un liquide ou un gaz permettant par exemple
aux bateaux de flotter.
Qu’est-ce que le poids et la masse
d’un objet ?
Ces deux notions sont-elles
synonymes?
Masse : quantité de matière que contient un objet.
S’exprime en kilogramme (symbole kg).
Poids: force gravitationnelle exercée par un astre sur un
objet à sa surface ou dans son voisinage.
S’exprime en newton ( symbole N).
Poids et masse sont deux grandeurs proportionnelles entre
elles:
P :désigne le poids
m: désigne la masse
P= m x g
g: désigne l’intensité de la pesanteur.
S’exprime en newton par kilogramme (N/kg)
Sur Terre g est égale à 9,81 N/Kg (moyenne)
Dynamomètre : dispositif que l’on peut utiliser pour
mesurer le poids d’un objet
Crochet
pour tenir
l’objet
Comment faire tourner la porte
d’une chambre sur elle-même
sans le moindre effort?
Session 2013-P@C-écrit_Formiris
Loïc Blanche-Barbat_IFAGEC
Pour faire tourner efficacement un objet autour de
son axe de rotation il est nécessaire que:
 Droite d’action de la force perpendiculaire à l’axe de
rotation
 Force s’applique à une distance « d » de l’axe
axe de
rotation
La capacité de cette force à faire tourner un
objet autour d’un axe est appelée moment.
S’exprime en newton-mètre ( symbole : N.m)
M= F x d
Session 2013-P@C-écrit_Formiris
Loïc Blanche-Barbat_IFAGEC
Leviers et balances
• Les leviers:
Constitués d’un objet long et rigide mobile autour d’un axe sur lequel
deux forces s’exercent.
L’axe de rotation est appelé pivot ou point d’appui.
La distance entre le point d’application de la force ( motrice ou
résistante) et le point d’appui est appelée bras de levier ( moteur ou
résistant).
Bras de levier
Point de résistance
ou force résistante
Point d’appui
Point de force
ou force motrice
Existe-t-il différents types de
leviers?
 Levier du premier type (ou inter-appui): le point
d’appui est entre le point d’action et le point de
résistance.
Exemple: pied de biche
 Levier du deuxième type (ou inter-résistant) : le point
de résistance est entre le point d’action et le point
d’appui.
Exemple: la brouette
 Levier du troisième type ( ou inter-effort) : le point
d’action est entre le point d’appui et le point de
résistance.
Exemple: pont-levis
Remarque : pour que la force motrice soit efficace, il faut que son
moment soit supérieur au moment de la force résistante.
• Les balances
Sont des dispositifs utilisés pour comparer ou mesurer
des masses. On distingue :
 Balances par comparaison utilisent des masses marquées .
Elles sont basées sur le principe de l’équilibre du fléau
d’un levier du premier type. Cet équilibre correspond à
l’égalité des moments des poids des objets situés de part
et d’autre du fléau. Exemple : balance romaine, balance
de Roberval.
 Balances par déformation ( affichage à aiguille ou
numérique ). Elles sont basées sur la déformation d’un
ressort sous l’action du poids de l’objet. Exemple : pèse –
personne.
Fléau
Plateau
Balance à plateau classique
Fléau gradué
Axe
Poids du
fléau gradué
Poids objet à
peser
Contrepoids
qui peut être
déplacé
Balance Romaine
Balance de Roberval
Fléau
Plateau
Support central
Contre-fléau
Étude du mouvement
Qu’est-ce qu’un mouvement?
Et comment le décrit-on ?
C’est le déplacement d’un corps dans l’espace par rapport à
un autre corps appelé référentiel.
Remarque : toujours important de définir le référentiel. Exemple je suis
immobile pour mon voisin assis à côté de moi dans le bus. Mais je suis
en mouvement pour une personne qui attend le bus.
• Description
 Son sens
 Sa direction
 Sa vitesse : distance parcourue par unité de temps
V= d / t ( s’exprime en mètre par seconde : m/s )
- si vitesse est constante : mouvement uniforme
- si vitesse augmente : mouvement est accéléré
- si vitesse diminue: mouvement ralenti ( ou retardé)
• Description (suite)
Sa trajectoire: c’est l’ensemble des positions
successives occupées par un point de l’objet
en mouvement . Elle peut être:
- rectiligne (droite):
- circulaire (cercle) :
On distingue deux types de mouvements:
Mouvement de translation : la trajectoire est
rectiligne
Mouvement de rotation: la trajectoire est
circulaire
Comment communiquer un
mouvement?
• Transmission et transformation du mouvement
Un mouvement peut être transmis avec ou sans
changement de nature , c’est-à-dire avec ou sans
transformation du mouvement initial :
Mécanisme de
transmission
sans
transformation
Entrée:
Sortie:
Mouvement
Mouvement
X
X
Exemple : pédalier de bicyclette, remorque de voiture,…
Mécanisme de
transmission avec
transformation
Entrée:
Sortie :
Mouvement
Mouvement
X
Y
Exemple : moulinet d’une canne à pêche, clé à molette,…
Pour transmettre (avec ou sans transformation) un
mouvement il est nécessaire d’utiliser des mécanismes. Ces
mécanismes peuvent contenir les pièces suivantes ( liées ou
non entre elles):
 Poulies
 Roues dentées , roues de friction
Chaînes
Courroies
Crémaillère
Vis sans fin
Ecrous
Pistons
Mécanisme: engrenages
cylindrique droit
Roue menée
Roue menante
Transmission d’un mouvement de rotation sans transformation
Mécanisme: engrenage
cylindrique conique
Transmission d’un mouvement
de rotation sans transformation
( mais le plan de rotation change)
Roue dentée
conique
Roue dentée
cylindrique
Mécanisme: roue dentée+crémaillère
Transformation d’un
mouvement de
rotation en
mouvement de
translation
Roue dentée
Crémaillère
Session 2013-P@Cécrit_Formiris
Tire-bouchon
Mécanisme: engrenage roues dentées +
chaîne.
Roue menée
Roue menante
Transmission du
mouvement à l’aide
d’une chaîne
poulies
Transmission du mouvement à
l’aide d’une courroie
Mécanisme: bielle-manivelle
Piston
Bielle
Manivelle ( appelée
vilebrequin chez les
mécaniciens)
Mécanisme: bielle-manivelle
(suite)
Entrée:
Mouvement de
translation
alternative du piston
( va et vient)
Mouvement
de rotation et
de translation
alternative de
la bielle
Sortie:
Mouvement de
rotation de la
manivelle
Comment augmenter ou diminuer
la vitesse transmission d’un
mouvement?
• Le rapport de transmission:
C’est le rapport de la vitesse de sortie sur la vitesse d’entrée.
Si le résultat du rapport est supérieur à 1 ( vitesse de sortie
plus grande que vitesse d’entrée ) on parle de
multiplication ( on dit que le mécanisme est
multiplicateur)
Si le résultat du rapport est inférieur à 1 ( vitesse de sortie
plus petite que vitesse d’entrée ) on parle de
démultiplication ( on dit que le mécanisme est
démultiplicateur)
• Le rapport de transmission (suite) :
Dans le cas de roues dentées, le rapport de transmission est
égal au rapport du nombre de dents de la roue menante sur
le nombre de dents de la roue menée.
Remarque : On peut aussi considérer le diamètre de chacune
des roues au lieu du nombre de dents.
RT = Vs/Ve = NM / Nm = DM /Dm
RT : rapport de transmission
Vs : vitesse de sortie
Ve: vitesse d’entrée
NM : nombre de dents roue menante
Nm : nombre de dents roue menée
DM : diamètre roue menante
Dm : diamètre roue menée
Ce qu’il faut retenir:
Dispositif démultiplicateur: vitesse de sortie faible,
effort à l’entrée peu important, rapport de
transmission inférieur à 1
Dispositif multiplicateur: vitesse de sortie
importante, effort à l’entrée important,
rapport de transmission supérieur à 1
Dispositif : le palan
Principe de fonctionnement :
Ce système de poulies démultiplie la force
de traction exercée sur la corde.
Pour soulever la charge d'un mètre, il faut
tirer la corde sur deux mètres, mais avec
deux fois moins d'effort. Par contre La
vitesse pour lever la charge est faible
On dit que c’est un système
démultiplicateur : faible effort à fournir
mais faible vitesse d’élévation charge.
Plus le palan utilise de poulies, plus il est
efficace: l'effort est divisé par le nombre
de poulies.
poulie
Charge à soulever
Comment représenter le système
de transmission d’un mécanisme?
• Chaîne cinématique
C’est une description du fonctionnement de dispositifs
techniques. Cela consiste à répertorier les différents
éléments mécaniques intervenants de l’entrée à la sortie du
dispositif technique, les liens entre eux ainsi que la nature
du mouvement engendré.
Exemple : chaîne cinématique d’un vélo.
Eléments mécaniques de l’entrée à la sortie du système : pédales, roue dentée (avant )
chaîne et roue dentée (arrière)
Roue
dentée
(avant)
Pédales
Rotation par
transmission
directe
chaîne
Rotation par
engrenage
Roue dentée
(arrière)
Rotation par
engrenage