08 Forces et lois de Newton

08
Forces et lois de Newton
Physique passerelle
hiver 2016
1. Force
Définition de la force en physique :
Toute cause capable de déformer un corps ou den modifier la vitesse.
Exemples de forces :
La force se mesure en newtons [N] à l’aide d’un dynamomètre :
Chaque force possède :
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•
une direction
•
un sens
•
une intensité
•
un point d’application
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2. Résultante
Il se peut que plusieurs forces s'exercent simultanément sur un même objet:
→ Toutes ces forces ont l’effet d’une seule force que l’on appelle résultante.
→ On construit la résultante en mettant les forces bout à bout, dans n’importe quel ordre :
Il se peut que la résultante soit nulle, dans ce cas l’objet est en équilibre :
Examen d’hiver 2015 :
Examen d’été 2009 :
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3. Lois de Newton
•
Première loi de Newton (= loi d'inertie) :
Si la résultante des forces qui agissent sur un corps est nulle, ce corps effectue un MRU.
Examen d’hiver 2012 :
•
Deuxième loi de Newton (lien entre force et accélération) :
•
est l’intensité de la résultante en newtons [N]
•
est la masse du corps en kilogrammes [kg]
•
est l’accélération subie par le corps en [m/s2]
(page 134)
Examen d’hiver 2009 :
•
Troisième loi de Newton (= principe d'action et de réaction) :
Toute action produit une réaction d'intensité égale et de sens opposé.
Examen d’été 2011 :
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4. Exercices
Exercice 1
Dans les deux dessins ci-contre, il s'agit du même
ressort. Dans le premier cas, une extrémité du ressort
est accrochée à un mur. La masse suspendue à son
autre extrémité par l'intermédiaire d'une poulie tire sur
le ressort avec une force dont l'intensité vaut 10 N. Dans
le second cas, on a mis le ressort en équilibre en
suspendant, par l'intermédiaire de poulies, une masse à
chacune de ses extrémités. Indiquer sur le dessin
l'intensité de la force de pesanteur que doit produire
chacune de ces masses de manière à ce que
l'allongement du ressort soit le même dans les deux cas.
Exercice 2
Que peut-on dire de la résultante de deux forces opposées ?
Exercice 3
Deux personnes tirent en sens contraire sur chaque extrémité d'un dynamomètre. Chacune exerce une
force d'intensité égale à 300 N. Quelle est l'intensité indiquée par ce dynamomètre ?
Exercice 4
a) Déterminer graphiquement la résultante des forces F1 et F2 pour chaque situation ci-dessous.
b) Dans quel(s) cas le système est-il en équilibre ?
i)
ii)
iii)
iv)
v)
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Exercice 5
Un aimant attire une bille qui roule vers lui.
a) Est-il juste de dire que la bille attire l'aimant?
b) Comment le vérifier?
Exercice 6
Discuter si les paires de forces suivantes sont des exemples d'action–réaction.
a) La Terre attire une brique et la brique attire la Terre.
b) Le vent exerce une force sur les voiles d'un bateau, et l'eau exerce une force sur sa dérive.
c) Un cheval tire une calèche et l'accélère, tandis que la calèche tire en sens inverse sur le cheval.
d) Un cheval tire sur un traîneau sans réussir à le faire bouger, tandis que le traîneau exerce sur le cheval une
force vers l'arrière.
e) L'hélice pousse l'air vers l'arrière de l'avion, et l'air propulse l'avion vers l'avant.
Exercice 7
Lorsqu'une personne pousse une voiture en panne sur une route horizontale, la voiture réagit en exerçant
une force opposée sur la personne.
a) Expliquer pourquoi il est quand même possible de faire avancer la voiture.
b) Décrire ce qui se passe si la route est verglacée.
Exercice 8
Déterminer graphiquement la résultante de ces trois forces de même intensité :
Exercice 9
Construire la résultante de ces trois forces :
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Exercice 10
Déterminer, par construction à l'échelle, la direction, le sens et l'intensité de la résultante de deux forces :
a) de même direction, de même sens et d'intensités respectives 26 N et 10 N;
Rép. : 36 N
Rép. : 16 N
b) de même direction, de sens opposés et d'intensités respectives 26 N et 10 N;
c) de même direction, de sens opposés et d'intensités respectives 26 N et 26 N;
Rép. : 0 N
Rép. : 34 N
d) formant entre elles un angle de 45° et d'intensités respectives 10 N et 26 N.
Exercice 11
Déterminer l'intensité de la résultante de deux forces perpendiculaires de respectivement 30 N et 40 N :
a) Par une construction à l'échelle ;
Rép. : 50 N
Rép. : 50 N
b) Par un calcul algébrique.
Exercice 12
Dessinez les forces qui agissent au point G sachant que la caisse est en équilibre :
Exercice 13 (examen d’été 2009)
Exercice 14 (examen d’hiver 2013)
Exercice 15 (examen d’hiver 2015)
Exercice 16 (examen d’hiver 2016)
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Exercice 17
Un chariot de 50 kg, au repos sur une surface horizontale, est soumis à une force horizontale de 40 N.
a) Calculer l'accélération a du chariot en négligeant les forces de frottement.
Rép. : 0,8 m/s2
b) Calculer sa vitesse après 3 s.
Rép. : 2,4 m/s
Exercice 18
Un wagon a une masse de 20 tonnes. Quelle force faut-il exercer sur lui pour lui communiquer une vitesse
de 54 km/h en 1 min ?
Rép. : 5000 N
Exercice 19
Trouver la force permettant à une voiture roulant à 108 km/h de s'arrêter en freinant sur 75 m. La masse
de la voiture est de 600 kg.
Rép. : 3600 N
Exercice 20
Calculer la masse d'une voiture dont la vitesse passe de 0 à 100 km/h en 9 s (sur une route horizontale) si la
force motrice vaut Fmot = 3500 N et la force de frottement vaut Ffr = 700 N.
Rép. : 907 kg
Exercice 21
Une voiture de 800 kg partant de l'arrêt atteint la vitesse de 50 km/h en 4 s. Calculer l'intensité Fmot de la
force motrice si l'intensité de la force de frottement vaut Ffr = 600 N.
Rép. : 3378 N
Exercice 22
Le conducteur d'une voiture de 1200 kg roule à 70 km/h sur la voie d'accès à une autoroute. Une fois engagé
sur l'autoroute, il accélère et, 5 s plus tard, la vitesse vaut 120 km/h (la voie d'accès et l'autoroute sont
horizontales).
a) Calculer l'accélération de la voiture.
Rép. : 2,78 m/s2
b) Calculer l'intensité de la force de propulsion pendant cette phase d'accélération si l'intensité de la force
de frottement vaut 500 N.
Rép. : 3833 N
Exercice 23
On remorque une voiture de 1000 kg avec une corde pouvant supporter une tension maximale de 1000 N.
Calculer l'accélération maximale, sans que la corde ne casse, si la force de frottement sur la voiture vaut
400 N.
Rép. : 0,6 m/s2
Exercice 24
Une locomotive de 100 t remorque un wagon de 30 t sur une portion de voie horizontale et rectiligne. Le
convoi a une accélération constante et met 25 s pour atteindre la vitesse de 36 km/h. La force de frottement
sur le wagon est estimée à 500 N, celle sur la locomotive à 1600 N.
a) Calculer la force exercée par le crochet de la locomotive sur le wagon pendant l'accélération, puis à
vitesse constante.
Rép. : Fcrochet = 12’500 N ; F’crochet = 500 N
b) Calculer la force de traction produite par le moteur de la locomotive pendant l'accélération, puis à
vitesse constante.
Rép. : Fmoteur = 54’100 N ; F’moteur = 2100 N
c) Calculer la force que le wagon exerce sur le crochet de la locomotive pendant l'accélération, puis à
vitesse constante.
Rép. : Fwagon = 12’500 N ; F’wagon = 500 N
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Exercice 25 (examen d’été 2014)
Rép. : 1,4 m/s2
Rép. : 100,8 m
Rép. : 60 km/h
Exercice 26 (d’après J.-A. Monard, Mécanique, 1995)
a) Calculez le poids des objets extérieurs sachant que le poids de m2 vaut 4 N et que 25°:
m1
m2
m3
b) Déterminez et sachant que le système est à l’équilibre et que 10 ∙ :
M
M
m
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