1Actions mécaniques
Définition. Une action mécanique exercée sur un système peut le mettre en mouvement, modifier son mouvement ou le déformer.
Propriété. On classe les actions mécaniques en actions de contact (l’objet qui agit touche le système : elles sont localisées ou réparties) et actions à distance (gravitation, aimant, électrisation : elles sont toujours réparties).
Méthode — diagramme objet-interaction. entourer le système étudié, placer autour de lui tous les objets qui agissent sur lui, puis relier chacun au système par un trait plein (contact) ou en pointillés (à distance).
2Modéliser une action par une force
Définition. Une action mécanique exercée par un objet A sur un système B est modélisée par une force, notée et représentée par une flèche. Ses quatre caractéristiques sont le point d’application (là où s’exerce l’action), la direction (la droite d’action : verticale, horizontale, droite des centres…), le sens (l’orientation de la flèche sur cette droite) et la valeur (ou norme), en newtons (), mesurée avec un dynamomètre.
Méthode — représenter une force. choisir une échelle des forces (par exemple pour ), calculer la longueur de la flèche, puis la tracer à partir du point d’application. L’échelle doit être indiquée sur le schéma.
3Principe des actions réciproques
Théorème — troisième loi de Newton. Si un corps A exerce sur un corps B la force , alors B exerce sur A la force telle que
Ces deux forces ont la même droite d’action et la même valeur, mais des sens opposés. Elles s’exercent sur deux corps différents : elles ne se compensent donc jamais et ne figurent jamais ensemble parmi les forces subies par un même système.
Remarque. Ce principe est vrai que les corps soient immobiles ou en mouvement, en contact ou à distance.
4L’interaction gravitationnelle
Propriété — loi de la gravitation universelle. Deux corps A et B, de masses et , dont les centres sont séparés de la distance , s’attirent mutuellement avec des forces de même valeur
et en , en , en . Cette force est toujours attractive et dirigée selon la droite des centres ; son point d’application est le centre du corps qui la subit. Écriture vectorielle : , où est le vecteur de valeur 1 dirigé de A vers B.
Dans , la distance sépare les centres des deux corps : pour un objet posé au sol, vaut le rayon de l’astre, et non zéro.
5Le poids
Définition. Le poids d’un corps est la force exercée sur lui par l’astre voisin, assimilée à la force d’attraction gravitationnelle de cet astre. Il est vertical, dirigé vers le bas, appliqué au centre de gravité du corps, et de valeur
Propriété. est l’intensité de la pesanteur ; à la surface d’un astre de masse et de rayon , la comparaison avec la loi de la gravitation donne .
- • • • .
- Terre : , • Lune : , • distance Terre-Lune : .
Remarque. La masse se mesure en kilogrammes et ne change pas d’un lieu à l’autre ; le poids se mesure en newtons et dépend de l’astre.
6Autres forces usuelles
Définition. La réaction du support modélise l’action du support sur l’objet posé. En l’absence de frottement, elle est perpendiculaire au support.
Définition. La tension d’un fil modélise l’action du fil sur l’objet suspendu : elle est dirigée selon le fil, du corps vers le point d’attache.
Remarque. Un fluide exerce aussi des actions : frottements de l’air, poussée de l’eau. On les néglige lorsque l’énoncé le précise.
Figure 1 — Livre posé sur une table : diagramme objet-interaction ; en G, au contact.
7Savoir-faire du chapitre
- Recenser les actions mécaniques subies par un système, les classer et construire son diagramme objet-interaction.
- Donner les quatre caractéristiques d’une force et la représenter par une flèche à l’échelle.
- Appliquer le principe des actions réciproques et identifier les deux corps concernés.
- Calculer la valeur d’une force d’interaction gravitationnelle et la représenter sur un schéma.
- Calculer un poids, comparer les poids d’un même corps sur deux astres, et relier à , et .
- Représenter qualitativement la réaction d’un support ou la tension d’un fil.
8Exemples types
Un astronaute de masse a pour poids sur Terre et sur la Lune . Sa masse reste : elle ne dépend pas de l’astre.
. La Lune attire la Terre avec une force de même valeur et de sens opposé.
À la surface de la Terre, , soit à 2 chiffres.
- Confondre masse et poids : la masse est en kilogrammes, le poids est une force, en newtons.
- Utiliser la distance entre les surfaces dans : sépare les centres, en mètres.
- Représenter et sur le même objet : elles s’appliquent à deux corps différents.
- Tracer une force sans indiquer l’échelle, ou en partant d’un point autre que le point d’application.