Phys. N° 10

Forces et mouvement

dans le sport. Cours

 

   

 

 

Mots clés :

Cours de physique seconde

Actions mécaniques, modélisation d'une force, effets d'une force

Mouvement, sport, action mécanique, système, référentiel, poids,

Principe de l'inertie, énoncé, forces qui s'annulent,

effet d'une force sur le mouvement, ...

 

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I- Les actions mécaniques.

1)- Exemple :

2)- Modélisation des

actions mécaniques.

3)- Schéma de la situation.

4)- Effet d’une force sur

le mouvement.

II- Le principe de l‘Inertie.

1)- Peut-il y avoir mouvement

sans force ?

2)- Le principe de l’Inertie.

3)- Retour sur

l’exercice précédent :

  III- Application. Correction des Exercices

1)- QCM :      QCM

2)- Exercices :      Exercices

 

QCM :

QCM sous forme de tableau 01

QCM 01 réalisé avec Questy pour s'auto-évaluer.

QCM sous forme de tableau 02

QCM 02 Questy pour s'auto-évaluer.

 

Exercices : énoncé avec correction

a)- Exercice 3 page 254 : Lancer du « poids ».

b)- Exercice 5 page 254 : Billard.

c)- Exercice 7 page 256 : Le 100 mètres féminin.

d)- Exercice 12 page 256 : Le mascaret.

e)- Exercice 13 page 256 : Le temps de pose d’un appareil photo.

f)- Exercice 16 page 258 : Étude du lancer de balle.

 

I- Les actions mécaniques.

1)- Exemple :

-    Cas d’un ballon, de masse m = 450 g,  posé sur le sol et  percuté par le pied du footballeur (g = 10 N / kg).

 

    Question : Quelles sont les actions mécaniques que subit le ballon à l’instant de l’impact ?

-    Le système étudié est le ballon.
-    Tout ce qui ne constitue pas le système est appelé milieu extérieur ou système extérieur.
-    Le ballon est immobile sur le sol et il est frappé par le pied du footballeur.
-  Ici, on négligera l’action de l’air sur le ballon.

    Faire le bilan des actions mécaniques exercées par le milieu extérieur sur le ballon :

-    Le ballon est en interaction avec la Terre.
-  La Terre attire le ballon, c’est une action à distance répartie sur le volume du ballon.
-    Le ballon est en interaction avec le sol.
-  Le sol empêche le ballon de s’enfoncer dans le sol.
-  Il empêche le ballon de tomber.
-  C’est une action de contact qui est répartie sur la surface de contact entre le ballon et le sol.
-    Le ballon est en interaction avec le pied (la chaussure) du footballeur.
-  Le pied pousse le ballon lors du contact.
-  C’est une action de contact qui est répartie sur la surface de contact entre le ballon et le pied.

    Remarque :

-    Les actions mécaniques à prendre en compte sont toutes des actions exercées par le milieu extérieur sur le système étudié.
-    Lorsque le système est en mouvement rapide, il faut tenir compte de l’action de l’air sur le système.

 

2)- Modélisation des actions mécaniques.

-    Une action mécanique localisée exercée par un objet A sur un autre objet B peut être modélisée par une force.
-    Cette force est représentée par un segment fléché, appelé vecteur force noté :

    Caractéristiques :

-    L’origine : point d’application de la force, point où l’on considère que la force s’exerce.
-    La direction et le sens sont ceux de la force.
-    La longueur du représentant est proportionnelle à la valeur de la force.
-    L’unité de force est le Newton (N).
-    La valeur d’une force se mesure à l’aide d’un dynamomètre.

    Remarque :

-    Sur un schéma, une force est représentée par un segment fléché, appelé vecteur.
-    Pour simplifier, on représente le système étudié par un point (le plus souvent, on prend le centre d’inertie G du système).
-    Les forces exercées par le milieu extérieur sur le système sont alors représentées à partir de ce point.
-    Lorsque la valeur de la force est connue, la longueur du segment fléché est proportionnelle à cette valeur.
-    Pour ce faire, on utilise une échelle : exemple : 1 cm ↔ 1 N.

 

3)- Schéma de la situation.

-    Poids du ballon : P = m . g ≈ 4,5 N.

 

-    Lorsque la valeur de la force n’est pas connue (ici c’est le cas de l’action du pied sur le ballon), on donne une longueur approximative.

 

4)- Effet d’une force sur le mouvement.

-    Exemple 1: Effet du poids sur une balle qu’on lance.
-    Exemple 2 : Phénomène d’électrisation effet d’une force électrostatique sur des petits morceaux de papiers.

Les effets d'une force sur le mouvement :

*    Une force qui s’exerce sur un corps peut mettre cet objet en mouvement, modifier sa trajectoire, modifier sa vitesse.

*    L’effet d’une force sur le mouvement d’un système est d’autant plus grand que la masse du système est faible.

 

II- Le principe de l‘Inertie.

1)- Peut-il y avoir mouvement sans force ?

-    C’est au XVIIe siècle que Newton donne une réponse à cette question. (1642 – 1727)
*     Situation 1 : On pose une pierre de curling, de masse m = 19,96 kg, sur la patinoire plane et horizontale.
*     On néglige les forces de frottements et l’action de l’air sur la pierre de curling (on prend g = 10 N / kg).
*     Quelles sont les actions mécaniques qu’elle subit ?

    Le système est la pierre de curling.

-    Le système extérieur est tout ce qui ne fait pas partie de la pierre de curling.
-    La pierre de curling est en interaction avec la Terre.
-    C’est le poids de la pierre de curling :

 

Point d’application : G

Direction : verticale passant par G

Sens : bas vers haut

Valeur : P = m . g  Þ P ≈ 200 N

-    La pierre de curling est en interaction avec la glace.
-  La glace empêche la pierre de curling de s’enfoncer :

 

Point d’application : G

Direction : ?

Sens : ?

Valeur : Fglace/pierre = ?

 

-    La pierre de curling est immobile.
-    Dans ce cas, on dit que, son poids  et la force exercée par la glace sur la pierre  sont deux forces qui annulent leurs effets :
-  Elles se compensent.

    Forces qui se compensent :

-    Deux forces qui se compensent ont même direction, même valeur, mais des sens opposés.
-    Elles sont représentées par deux vecteurs opposés.
-    Leur somme vectorielle est égale au vecteur nul.
*     Situation 2 : On lance cette même pierre sur la patinoire. Quelles sont les actions mécaniques qu’elle subit ?

    Le système est la pierre de curling.

-    La pierre de curling est soumise aux mêmes actions mécaniques  et
-    Lorsque la pierre de curling se déplace sur la patinoire, son centre d’inertie est animé d’un mouvement rectiligne uniforme par rapport à la patinoire (Référentiel terrestre).
-    Dans ce cas, son poids  et la force exercée par la glace sur la pierre  sont deux forces dont les effets s’annulent.

*    De tels mouvements ont amené Galilée, puis Newton à énoncer le principe d’Inertie.

 

2)- Le principe de l’Inertie.

Énoncé 1:

*    Tout corps persévère dans son état de repos ou de mouvement rectiligne uniforme si et seulement si les forces qui s’exercent sur lui se compensent.

Énoncé 2:

*    Un corps est immobile ou en mouvement rectiligne uniforme si et seulement si les forces qui s’exercent sur lui se compensent (ou s’il n’est soumis à aucune force).

-    Remarque :
-    Le principe de l’inertie n’est valable que dans certains référentiels.
-    On l’applique cette année dans le référentiel terrestre et dans le référentiel géocentrique.
-    Lorsque la trajectoire d’un objet n’est pas une droite ou lorsque la vitesse d’un corps varie :
-  On peut affirmer d’après le principe de l’inertie que les forces exercées sur cet objet ne se compensent pas.

 

3)- Retour sur l’exercice précédent :

-    L’application du principe de l’inertie à la situation de la pierre de curling permet de déterminer les caractéristiques de la force .
-    Dans les deux cas le principe de l’inertie permet d’affirmer que la pierre de curling est soumise à des actions mécaniques dont les effets se compensent :
-     
-    En conséquence : P = Fglace/pierre ≈ 200 N
-    Caractéristiques de la force :

 

Point d’application : G

Direction : verticale passant par G

Sens : haut vers bas

Valeur : Fglace/pierre ≈ 200 N

 

III- Application.

1)- QCM : indiquer la ou les bonne(s) réponse(s).

QCM :

QCM sous forme de tableau 01

QCM 01 réalisé avec Questy pour s'auto-évaluer.

QCM sous forme de tableau 02

QCM 02 Questy pour s'auto-évaluer.

 

2)- Exercices  ;

a)- Exercice 3 page 254 : Lancer du « poids ».

b)- Exercice 5 page 254 : Billard.

c)- Exercice 7 page 256 : Le 10 mètres féminin.

d)- Exercice 12 page 256 : Le mascaret.

e)- Exercice 13 page 256 : Le temps de pose d’un appareil photo.

f)- Exercice 16 page 258 : Étude du lancer de balle.