Diagrammes de forces en Physique-Chimie - Seconde

• Représenter toutes les forces agissant sur un objet
• Identifier la direction, le sens et l'intensité de chaque force
• Faciliter l'application des lois de Newton
• Comprendre les conditions d'équilibre ou de mouvement

Chaque force est représentée par un vecteur fléché :

• Origine : point d'application de la force
• Direction : droite support du vecteur
• Sens : orientation de la flèche
• Longueur : proportionnelle à l'intensité de la force

Le poids est la force exercée par la Terre sur un objet.

Où P est le poids (en Newtons), m la masse (en kg) et g l'accélération de la pesanteur (≈ 9,8 N/kg).

• Direction : verticale
• Sens : vers le bas
• Point d'application : centre de gravité de l'objet

La force normale est la force exercée par une surface sur un objet en contact avec elle.

• Direction : perpendiculaire à la surface de contact
• Sens : vers l'extérieur de la surface
• Point d'application : point de contact entre l'objet et la surface

La force de frottement s'oppose au mouvement ou à la tendance au mouvement.

• Direction : parallèle à la surface de contact
• Sens : opposé au mouvement ou à la tendance au mouvement
• Point d'application : point de contact entre les surfaces

Choisir clairement l'objet sur lequel on veut étudier les forces.

Représenter cet objet par un point ou une figure simplifiée.

Lister toutes les forces agissant sur l'objet :

• Forces de contact (normales, frottement, poussée...)
• Forces à distance (pesanteur, électromagnétisme...)
• Autres forces spécifiques (tension, poussée d'Archimède...)

Pour chaque force :

• Placer l'origine au point d'application
• Tracer la direction correcte
• Indiquer le sens approprié
• Choisir une échelle pour la longueur du vecteur

Considérons un livre de masse m reposant sur une table horizontale.

Le livre est en équilibre, donc la somme des forces est nulle.

• 1 Poids du livre : P = mg, vertical descendant, appliqué au centre de gravité
• 2 Force normale de la table : N, verticale ascendante, appliquée au point de contact

En équilibre, la somme des forces est nulle :

Les deux forces ont même intensité mais des sens opposés.

Un bloc de masse m est posé sur un plan incliné d'un angle θ par rapport à l'horizontale.

Le bloc peut être en équilibre ou en mouvement.

• 1 Poids du bloc : P = mg, vertical descendant
• 2 Force normale : N, perpendiculaire au plan, vers l'extérieur
• 3 Force de frottement : f, parallèle au plan, opposée au mouvement

Le poids peut être décomposé en deux composantes :

• Composante parallèle au plan : P sin(θ)
• Composante perpendiculaire au plan : P cos(θ)

Ces composantes facilitent l'analyse du mouvement.

• Force de pesanteur (poids) : P = mg = 2 × 9,8 = 19,6 N, dirigée vers le bas
• Tension du câble : T, dirigée vers le haut

Le bloc est en équilibre, donc la somme des forces est nulle :

La tension du câble est de 19,6 N dirigée vers le haut.

• Poids du bloc : P = mg = 5 × 9,8 = 49 N, vertical descendant
• Force normale : N, perpendiculaire au plan, vers l'extérieur
• Force de frottement : f, parallèle au plan, vers le haut (empêche la descente)

• Composante parallèle au plan : P sin(30°) = 49 × 0,5 = 24,5 N (vers le bas du plan)
• Composante perpendiculaire au plan : P cos(30°) = 49 × 0,866 = 42,4 N

En équilibre, la somme des forces parallèles au plan est nulle :

La force de frottement nécessaire est de 24,5 N vers le haut du plan.

Un câble ou une corde exerce une force de tension :

• Direction : le long du câble
• Sens : du point d'application vers l'extérieur
• Point d'application : là où le câble est attaché

La tension est la même en tout point du câble (dans le modèle idéal).

Dans une poulie idéale (sans friction) :

• La tension est conservée
• Seule la direction de la force change
• La poulie ne modifie pas l'intensité de la force

Pour un système composé de plusieurs objets connectés :

• Créer un diagramme de forces pour chaque objet
• Identifier les forces d'interaction entre objets
• Appliquer les lois de Newton à chaque objet
• Utiliser les relations de liaison entre les objets

Considérons deux blocs A et B reliés par un câble passant par une poulie :

• Bloc A : forces de gravité, tension du câble
• Bloc B : forces de gravité, réaction du support, tension du câble
• La tension est la même dans tout le câble

• Poids : PA = mA × g = 3 × 9,8 = 29,4 N (vers le bas)
• Réaction normale de la table : NA = 29,4 N (vers le haut)
• Tension du câble : T (vers la droite)

• Poids : PB = mB × g = 2 × 9,8 = 19,6 N (vers le bas)
• Tension du câble : T (vers le haut)

Pour le bloc A (mouvement horizontal) : T = mA × a

Pour le bloc B (mouvement vertical) : PB - T = mB × a

En remplaçant : 19,6 - T = 2 × a et T = 3 × a

Donc : 19,6 - 3a = 2a → 19,6 = 5a → a = 3,92 m/s²

Et T = 3 × 3,92 = 11,76 N

Les erreurs courantes incluent :

• Oublier la force normale
• Ignorer la force de frottement
• Négliger la tension dans les câbles
• Confondre poids et masse

Attention au sens des forces :

• La force normale est toujours perpendiculaire à la surface
• La force de frottement s'oppose au mouvement
• Le poids est toujours dirigé vers le bas

Chaque force doit être placée correctement :

• Le poids au centre de gravité
• Les forces de contact au point de contact
• Les forces à distance peuvent être placées au centre de gravité

• Représentation graphique de toutes les forces sur un objet
• Chaque force est un vecteur avec direction, sens, point d'application
• Facilite l'application des lois de Newton

• Poids : P = mg, vertical descendant
• Force normale : perpendiculaire à la surface
• Force de frottement : parallèle à la surface, oppose le mouvement
• Tension : dans le sens du câble

• Isoler l'objet d'étude
• Identifier toutes les forces
• Représenter les vecteurs correctement