Forces sur un solide et Equilibre d`un solide

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FORCES SUR UN SOLIDE ET EQUILIBRE D’UN SOLIDE
Objectifs :
- Etudier la force de rappel d’un ressort pour déterminer ses caractéristiques.
- Etudier l’ équilibre d’un solide soumis à plusieurs forces.
Donnée : intensité de la pesanteur : g = 9,8 N.kg-1
I) FORCE DE RAPPEL D’UN RESSORT
1) Bilan des forces
On accroche, à un ressort suspendu à une potence, une masse m = 100 g (Fig. 1). Le ressort s'allonge d'une
longueur x que l'on appelle «allongement du ressort». La masse est considérée en équilibre.
a) Faire le DOI (diagramme objet – interactions).
b) Quelles forces s'exercent sur la masse marquée ?
c) Faire la représentation vectorielle de ces forces. En déduire l'intensité F de
F
, force exercée par le ressort sur la masse.
2) Étude de la déformation du ressort
Si l'on tire sur un ressort, celui-ci se déforme et revient à sa position initiale quand on le lâche.
Le ressort subit une déformation élastique.
Matériel utilisé : ressort, calculatrice ou ordinateur, dynamomètre (5N maxi, dont on réglera bien le zéro au préalable).
On accroche le dynamomètre au ressort vertical. Avec la main, on tire le dynamomètre vers le bas.
Si on relâche doucement, le dynamomètre est ramené par le ressort vers le haut.
On considère que x est nul quand le ressort possède sa longueur à vide (soumis à aucune force).
Le dynamomètre ne mesure que l'intensité de la force qui s'exerce sur son crochet.
a) Si x est nul (on « fait le zéro »), que devient l'intensité de la force ?…
Si l'on tire sur le dynamomètre avec la main, celui ci indique l’intensité de la force F du ressort sur le dynamomètre
b) Préciser la direction et le sens de cette force quand le dynamomètre est tiré vers le bas, puis quand il est ramené vers le haut.
force
Dynamomètre :
Dont la Direction est :
Dont le sens est :
Tiré vers le bas
Ramené vers le haut
3) Mesures avec le dynamomètre 5N maxi et le ressort noté « 250g »
Elles seront effectuées à l’horizontale pour plus de précision, une règle graduée sera utilisée pour mesurer x :
Repérer la longueur à vide , notée l0, du ressort :  0 = ……….. cm = ………….m
Effectuer les mesures afin de compléter le tableau suivant. Vous
choisirez des valeurs croissantes de l’allongement x du ressort de
manière à ne pas déformer définitivement celui-ci (x maxi =10cm)
et donc rester dans le domaine d’élasticité. Ne pas relâcher le
ressort entre deux mesures (faire des mesures en continu pour
lesquelles F a une valeur aisément lue sur le dynamomètre (1,25N
minimum) , relever la longueur  du ressort. On effectuera ensuite
tous les calculs de x = ..….. - …..…
Longueur du ressort
(en m)
Allongement
x (en m)
Force
F(en N)
0
main
Fig. 1 - La main
tire le ressort
avec une force
d'intensité 3 N.
Règle
graduée
x

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A
S
A
V
O
I
R
A
S
A
V
O
I
R
4) Exploitation des mesures
a) Comment évoluent l’allongement x et la force F au cours des mesures?
b) Sur une feuille de papier millimétré, tracer la courbe donnant les variations de F en fonction de x.
c) Lisser la courbe.
d) La déformation élastique est-elle linéaire ? (dans ce cas, la courbe représentative de F en fonction de x sera une droite
passant par l’origine)
e) Si oui, déterminer la relation liant F à x en posant k, la constante de raideur du ressort. Préciser l'unité et la valeur de k.
II) EQUILIBRE D’UN SOLIDE
1) Utilisation du dynamomètre (1N maxi)
A) Compléter la 2è ligne du tableau suivant. On donne g = 9,8 N.kg-1 . On rappelle que le poids P est P=mg.
Masse (en kg)
0,020
0,030
0,050
0,070
0,100
Poids (en N)
Indication du
dynamomètre (en N)
B) Le dynamomètre est un appareil permettant de mesurer l’intensité d'une force qui s’exerce sur lui. (Fig 1)
Accrocher au dynamomètre ces différentes masses. Noter la valeur donnée par le dynamomètre et compléter ainsi la troisième
ligne du tableau.
C)
a) Faire un DOI de la situation.
b) En déduire le bilan(c’est à dire la liste) des forces appliquées à la masse accrochée.
c) Quelle force mesure le dynamomètre?
d) Comparer les lignes 2 et 3 du tableau.
e) Que peut-on en conclure?
f) Pour l'objet de 0,100 kg, représenter les forces appliquées avec : Échelle : 1 cm sur le schéma représente une force d'intensité
0,25 N. A FAIRE PAGE 4/5
g) Déduire des questions a) et b), les 3 conditions d'équilibre d'un objet soumis à deux forces.
D) Un objet de masse m = 0,100 kg est plongé dans l'eau (Fig. 2).
a) Faire un DOI de la situation et en déduire le bilan des forces appliquées à l'objet( la masse).
b) Quelle est l'intensité de la force exercée par le dynamomètre sur l'objet ? ( dynamomètre max 1N)
c) La comparer avec celle du tableau de l'expérience précédente.
d) En déduire la direction, le sens et l'intensité de la force exercée par l'eau sur l'objet (poussée d'Archimède).
e) Représenter les forces appliquées à l'objet avec : Échelle :1 cm sur le schéma représente une force
d'intensité 0,1N. A FAIRE PAGE 4/5
f) Que peut-on dire de leur droite d'action (direction) ?
g) Conclure sur la condition d'équilibre d'un objet soumis à plusieurs forces dont les directions (ou les droites
d'action) sont confondues.
Fig. 2 - Le
dynamomètre
indique 0,95 N.

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Suite A FAIRE A LA MAISON :
2) Mobile autoporteur soumis à deux forces de directions parallèles
Un mobile autoporteur est équipé d'une soufflerie lui permettant de se déplacer sur un coussin d'air (Fig. 3). Sa
masse est m = 750 g.
Situation 1
Situation 2
Situation 3
La soufflerie est activée. Le
mobile autoporteur est
immobile.
La soufflerie est activée. Le
mobile autoporteur glisse sur un
plan incliné.
La soufflerie est désactivée. Le
mobile autoporteur est en équilibre
sur le plan incliné.
L'angle d'inclinaison du plan incliné est α = 7,5°.
A) Construire Le DOI pour chaque situation. En déduire le bilan des forces appliquées au mobile pour chaque situation.
Situation
1
2
3
D.O.I.
Bilan des
forces sur
le mobile
B)
a) Que peut-on dire de l'intensité du poids du mobile (notée P) dans chaque situation ? Calculer P.
b) Représenter le vecteur
P
dans chaque situation avec : Échelle : 1 cm sur le schéma représente une force d'intensité 1 N. PAGE 4/5
C)
a) Dans quelle(s) situation(s) la condition d'équilibre d'un objet soumis à deux forces est-elle applicable ?
b) Pour ces situations, en déduire une construction de l'autre force appliquée au mobile (notée
R
). A FAIRE PAGE 4/5
c) Pourquoi le mobile autoporteur dans la situation 3 reste-t-il immobile ?
d) Que peut-on négliger quand la soufflerie est activée?
D) En fait, on peut considérer que
R
est la somme de 2 vecteurs habilement choisis :
R
=
R
n +
R
t où
R
n est la composante dite
« normale » de
R
(perpendiculaire au plan incliné) et
R
t est la composante « tangentielle » de
R
( parallèle au plan incliné).
a) Construire, pour la situation 3,
R
n et
R
t. A FAIRE PAGE 4/5
b) En déduire l'intensité de ces deux forces ( à l’aide de votre construction de vecteurs et de l’échelle utilisée pour les représenter). PAGE 4/5
c) Quelle est celle qui correspond à la force de frottement du plan incliné sur le mobile ?
3) Mobile autoporteur soumis à trois forces non parallèles
On se propose de ramener le mobile de la situation 2 en équilibre. Pour cela, on
réalise l'expérience de la figure 4.
a) Faire Le DOI de la nouvelle situation. En déduire le bilan des forces appliquées
au mobile.
Fig 3. Principe du mobile sur coussin d'air.
Fig. 4 - On accroche un dynamomètre au mobile autoporteur
de la situation 2. Le dynamomètre est parallèle au plan incliné
et indique 0,95N.

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b) La soufflerie étant activée, les frottements du plan incliné sur le mobile sont négligeables. Que peut -on en conclure quant à la
direction et à l'intensité de
R
? En déduire une représentation de
R
. Échelle : 1 cm représente 0,5 N.
A FAIRE PAGE 5/5
c) Représenter le poids du mobile et la force du ressort appliquée au mobile. A FAIRE PAGE 5/5
d) Faire la somme vectorielle des forces appliquées au mobile. A FAIRE PAGE 5/5
e) Conclure sur la condition d'équilibre d'un objet soumis à des forces dont les directions ne sont pas parallèles .
b) La soufflerie étant activée, les frottements du plan incliné sur le mobile sont négligeables. Que peut -on en conclure quant à la
direction et à l'intensité de
R
? En déduire une représentation de
R
. Échelle : 1 cm représente 0,5 N.
A FAIRE PAGE 5/5
c) Représenter le poids du mobile et la force du ressort appliquée au mobile. A FAIRE PAGE 5/5
d) Faire la somme vectorielle des forces appliquées au mobile. A FAIRE PAGE 5/5
e) Conclure sur la condition d'équilibre d'un objet soumis à des forces dont les directions ne sont pas parallèles .
A
S
A
V
O
I
R
A
S
A
V
O
I
R

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