Force de pesanteur : Force à distance exercée par la Terre sur tout objet possédant une masse.
- Identifier le point d'application : centre de gravité de l'objet
- Déterminer la direction : verticale descendante
- Établir le sens : vers le bas (vers le centre de la Terre)
- Calculer l'intensité : \(P = mg = 5 \times 9.81 = 49.05\) N
- Choisir une échelle : 1 cm = 10 N, donc 4.9 cm de longueur
Objet de masse \(m = 5\) kg, \(g = 9.81 \, \text{m/s}^2\)
\(P = mg = 5 \times 9.81 = 49.05\) N
Point d'application : centre de gravité de l'objet, Direction : verticale, Sens : vers le bas, Intensité : 49.05 N
1 cm = 10 N, donc la flèche mesurera 4.9 cm
Flèche verticale vers le bas partant du centre de gravité de l'objet
Le vecteur force de pesanteur est une flèche verticale vers le bas, de longueur proportionnelle à 49.05 N, partant du centre de gravité de l'objet.
• Force à distance : La gravité agit sans contact
• Direction constante : Toujours verticale descendante
• Point d'application : Centre de gravité de l'objet
Force de traction : Force de contact transmise par un fil, corde ou câble.
Une personne tire un objet avec une corde. La corde transmet la force.
Point de contact entre la corde et l'objet
La force est dirigée le long de la corde, dans le sens de la traction
Le sens est du point d'attache vers l'extérieur de l'objet (la corde tend à s'allonger)
La force dépend de l'effort de la personne. Supposons \(F = 30\) N
Le vecteur force de traction est une flèche partant du point de contact corde-objet, dirigée le long de la corde dans le sens de la traction.
• Force de contact : La corde doit toucher l'objet
• Direction : Le long du câble
• Sens : Vers l'extérieur de l'objet (traction)
Équilibre : Lorsque la somme des forces est nulle, l'objet est au repos ou en mouvement uniforme.
Un objet est suspendu à un fil, immobile. Il est en équilibre.
Force de pesanteur (poids) vers le bas et tension du fil vers le haut
\(\vec{P} + \vec{T} = \vec{0}\) donc \(\vec{T} = -\vec{P}\)
Poids : vertical, vers le bas, intensité = mg; Tension : vertical, vers le haut, même intensité
Deux vecteurs de même longueur, directions opposées, partant du même point
En équilibre, les forces se compensent : la tension du fil équilibre exactement le poids de l'objet.
• Équilibre : \(\sum \vec{F} = \vec{0}\)
• Opposition : Les forces ont même direction, sens opposé et même intensité
• Compensation : La somme vectorielle des forces est nulle
Force de frottement : Force de contact qui s'oppose au mouvement relatif entre surfaces.
Un objet glisse sur une surface horizontale. Il subit des forces de frottement.
La force de frottement est parallèle à la surface de contact
La force de frottement s'oppose toujours au mouvement ou à la tendance au mouvement
Point de contact entre l'objet et la surface
\(F_f = \mu N\) où \(\mu\) est le coefficient de frottement et \(N\) la force normale
La force de frottement est une force de contact parallèle à la surface, opposée au mouvement.
• Force de contact : Nécessite un contact entre surfaces
• Sens opposé : S'oppose toujours au mouvement
• Direction : Parallèle à la surface de contact
Force magnétique : Force à distance entre objets magnétiques ou charges en mouvement.
La force magnétique est une force à distance, agissant sans contact physique.
La force suit les lignes de champ magnétique entre les aimants
Attraction entre pôles opposés, répulsion entre pôles identiques
Centre de gravité de l'aimant concerné
Diminue avec la distance, souvent en \(1/r^3\) ou \(1/r^4\)
La force magnétique est une force à distance qui agit le long des lignes de champ entre objets magnétiques.
• Force à distance : Agit sans contact direct
• Direction : Suivant les lignes de champ magnétique
• Interaction : Peut être attractive ou répulsive selon les pôles
Accélération de la pesanteur : Varie selon l'astre considéré.
\(g_T = 9.81 \, \text{m/s}^2\)
\(g_L = 1.62 \, \text{m/s}^2\) (environ 6 fois moins que sur Terre)
Pour un objet de masse \(m = 10\) kg : \(P_T = mg_T = 98.1\) N et \(P_L = mg_L = 16.2\) N
Sur Terre : flèche de longueur proportionnelle à 98.1 N, Sur Lune : flèche de longueur proportionnelle à 16.2 N
Le vecteur poids sur la Lune est environ 6 fois plus court que sur Terre
Le poids d'un objet varie selon l'astre, mais la masse reste constante. Le vecteur poids est proportionnel à l'accélération de la pesanteur.
• Force à distance : Le poids est une force gravitationnelle
• Proportionnalité : \(P = mg\), donc dépend de l'astre
• Constante : La masse ne change pas, seule la force de pesanteur varie
Principe d'action-réaction : Toute action est accompagnée d'une réaction égale et opposée.
Une personne pousse un mur. Il y a contact direct entre la main et le mur.
Force de contact de la main sur le mur, horizontale, vers le mur
Force de réaction du mur sur la main, égale en intensité, opposée en sens
\(\vec{F}_{main \to mur} = -\vec{F}_{mur \to main}\)
Le mur ne bouge pas (masse très grande), mais la personne ressent la force de réaction
Lors d'une poussée, il y a toujours deux forces égales et opposées : l'action de la main sur le mur et la réaction du mur sur la main.
• 3e loi de Newton : Action et réaction sont égales et opposées
• Force de contact : Nécessite un contact physique
• Égalité : Même intensité, même direction, sens opposé
Poussée d'Archimède : Force exercée par un fluide sur un objet immergé.
La pression du fluide est plus élevée en bas qu'en haut de l'objet immergé
La poussée est verticale vers le haut
Le centre de poussée est situé au centre de gravité du fluide déplacé
\(F_A = \rho_{fluide} \cdot V_{immergé} \cdot g\)
Flèche verticale vers le haut, partant du centre de poussée
La poussée d'Archimède est une force de contact exercée par le fluide sur l'objet immergé, verticale vers le haut.
• Force de contact : Interaction directe entre fluide et objet
• Direction : Verticale vers le haut
• Valeur : Proportionnelle au volume de fluide déplacé
Force électrostatique : Force à distance entre charges électriques.
\(F = k\frac{|q_1q_2|}{r^2}\) où \(k = 8.99 \times 10^9 \, \text{N.m}^2/\text{C}^2\)
Attractive si les charges sont de signes opposés, répulsive si elles sont de même signe
La force est dirigée le long de la ligne joignant les deux charges
Pour charges opposées : force attractive (charges se rapprochent)
Flèches pointant l'une vers l'autre pour charges opposées
La force électrostatique est une force à distance qui agit entre charges électriques, même séparées par le vide.
• Force à distance : Agit sans contact physique
• Champ électrique : Médiateur de l'interaction
• Nature : Attractive ou répulsive selon les signes des charges
Force résultante : Somme vectorielle de toutes les forces agissant sur un objet.
Supposons deux forces \(\vec{F_1}\) et \(\vec{F_2}\) agissant sur un objet
On place les deux vecteurs à partir du même point et on complète le parallélogramme
\(\vec{R} = \vec{F_1} + \vec{F_2}\) (addition vectorielle)
Si les forces sont colinéaires : \(R = |F_1 \pm F_2|\), Si perpendiculaires : \(R = \sqrt{F_1^2 + F_2^2}\)
Pour \(F_1 = 30\) N et \(F_2 = 40\) N perpendiculaires : \(R = \sqrt{30^2 + 40^2} = 50\) N
La force résultante est la somme vectorielle de toutes les forces agissant sur un objet, déterminant son mouvement.
• Addition vectorielle : Utiliser la méthode du parallélogramme
• Direction résultante : Dépend des directions des forces individuelles
• Application : \(\vec{R} = \sum \vec{F_i}\) détermine le mouvement de l'objet
