Objectifs d'apprentissage
Connaitre les concepts suivants:
- La première loi du Newton
- La deuxième loi de Newton
- La troisième loi de Newton
- Le travail et la puissance
- L'énergie
THÉORIE
Préalables : dynamique
Adhérence
Quand un élément adhère à un autre élément, les deux sont statiques l'u par rapport à l'autre. C'est lorsqu'il y a perte d'adhérence qu'il y apparition de mouvement. L'adhérence est donc un phénomène qui empêche le mouvement. Elle dépend des propriétés de contact entre deux matières et elle permet d'expliquer l'existence du coefficient de frottement statique.
L'intensité de l'adhérence dépend de certains facteurs:
- La nature des matériaux mis en contact: l'adhérence entre le caoutchouc et l'asphalte est plus grande que celle entre le caoutchouc et la glace, ce qui explique qu'une voiture tient moins bien la route l'hiver.
- La présence ou non d'un lubrifiant: la cire appliquée sur des skis de fond diminue leur adhérence sur la neige et augmente ainsi leur glissement.
- La température: l'adhérence des semelles de souliers sur l'asphalte diminue lorsque la température diminue aussi, ce qui rend notre équilibre moins stable en hiver.
- L'état des surfaces mises en contact: plus une surface est rugueuse, plus elle aura tendance à adhérer à une autre surface. Ainsi, les pneus d'un vélo de route sont plus lisses que ceux d'un vélo de montagne afin de diminuer l'adhérence et conséquemment d'augmenter la vitesse de roulement.
- La force perpendiculaire exercée par une surface sur l'autre: l'adhérence augmente avec l'accroissement de cette force. Ainsi, il est plus difficile de tirer un traineau chargé sur la neige qu'un traineau vide.
Dans un objet technique, l'adhérence entre les surfaces est importante pour assurer certaines liaisons entre des pièces ou encore pour permettre le bon rendement de certains systèmes.
Exemple:
La courroie est une pièce utilisée pour la transmission du mouvement. Elle est construite dans un matériau souple.
La poulie est souvent utilisée avec une courroie. Le système courroie et poulie peut avoir différents usages et permet de transmettre le mouvement.
Les contraintes
Traction et compression
- La traction est une contrainte mécanique équivalente à l'action de forces opposées qui étirent un matériau.
- La compression est une contrainte mécanique équivalente à l'action de forces opposées qui exercent une pression à sur un matériau.
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| Source |
Torsion, cisaillement et flexion
- La torsion est une contrainte mécanique équivalente à l'action de tordre, de faire « vriller » un matériau
- Le cisaillement est une contrainte mécanique équivalente à l'action d'une force appliquée parallèlement ou tangentiellement à un matériau.
- La flexion est une contrainte mécanique équivalente à l'action de fléchir, de courber, de plier un matériau.
Source : Ève Marmen
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Pression:
la pression est le résultat des collisions entre les particules d'un fluide contenu dans un récipient et les parois de celui-ci.
- Plus il y a de collision et plus il y a de la pression (et inversement).
- La pression est la force par unité de surface qu'exerce un fluide ou un solide sur celle-ci.
Exemple:
Les facteurs qui influencent la pression
- Plus la force augmente et plus la pression augmente (et inversement).
- Plus l'aire augmente et plus la pression diminue (et inversement).
Masse et poids
La masse est une mesure de la quantité de matière d'un objet. Dans le système international, son unité est le kilogramme (kg). C'est une donnée qui ne dépend pas de l'endroit ou elle est mesurée. Le poids de cet objet variera selon l'endroit ou il se trouve. En effet, le poids dépend de l'intensité du champ gravitationnel à un endroit donné et de la masse de ce même objet.
Relation mathématique entre la masse et le poids.
La formule mathématique suivante met en relation le poids, la force gravitationnelle et la masse.
La masse est une mesure de la quantité de matière d'un objet. Dans le système international, son unité est le kilogramme (kg). C'est une donnée qui ne dépend pas de l'endroit ou elle est mesurée. Le poids de cet objet variera selon l'endroit ou il se trouve. En effet, le poids dépend de l'intensité du champ gravitationnel à un endroit donné et de la masse de ce même objet.
Relation mathématique entre la masse et le poids.
La formule mathématique suivante met en relation le poids, la force gravitationnelle et la masse.
Préalables: transformation de l'énergie
Énergie: On peut associer le travail et l'énergie à la chaleur, au déplacement d'un piston dans un moteur, à l'électricité, à la lumière et à un grand nombre d'autres phénomènes.
Les différentes énergies: (unité de mesure de l'énergie est le Joule)
- Énergie cinétique (mouvement d'un corps ou d'un objet - vitesse)
- Énergie électrique (prise de courant - déplacement des électrons)
- Énergie rayonnante (soleil, lumière)
- Énergie chimique (pile - réactions chimiques - combustion)
- Énergie potentielle élastique (ressort)
- Énergie nucléaire (centrale nucléaire)
- Énergie potentielle gravitationnelle (hauteur - barrage hydroélectrique - parachute)
- Énergie mécanique (mouvement des pièces mécaniques - moteur - rotation)
- Énergie thermique (mouvement de particules - chaleur)
La chaleur: C'est l'énergie thermique transférée à un corps avec une température différente. Son symbole est Q et son unité de mesure est le Joule.
Conversions d'énergie: C'est le passage d'une forme d'énergie à une autre.
Principe de conversion d'énergie: Le principe stipule que la quantité totale d'Énergie demeure toujours constante. Aucune énergie ne disparait ne n'est créé dans un processus.
Rendement énergétique: C'est la portion, exprimée en pourcentage, de l'énergie ultime par rapport à l'énergie totale consommée.
Nouveaux concepts
Définition de force
Une force désigne, l'interaction entre deux objets ou systèmes, une action mécanique capable d'imposer une accélération induisant la modification du vecteur vitesse. Une force exercée sur lObjet fait aller celui-ci plus vite, moins vite ou le fait tourner. La base sensorielle de la notion est donnée par la sensation de contraction musculaire.
Lois de Newton
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| Crédit: ASM/Laurence Tresse |
Première loi de Newton:
Tout corps persévère dans l'état de repos ou de mouvement uniforme en ligne droite dans lequel il se trouve, à moins que quelque force n'agisse sur lui, et ne le contraigne à changer d'état.
Deuxième loi de Newton:
La force résultante exercée sur un objet est toujours égale à la mise de cet objet multipliée par son accélération. L'accélération produite a toujours le même orientation que la force résultante.
Exemple:
Troisième loi de Newton:
L'action est toujours égale à la réaction; c'est-à-dire que les actions de deux corps l'un sur l'autre sont toujours égales et de sens contraires.
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| Webpedago (cc) |
Force centripète
- La force centripète est la force permettant de maintenir un objet dans une trajectoire incurvée, généralement une conique (cercle, ellipse, parabole, hyperbole).
- En effet, tout objet décrivant une trajectoire de ce type possède une accélération non nulle, appelée accélération centripète, qui est dirigée vers le centre de courbure. Sans force centripète, l'objet ne peut pas tourner ou cesse de tourner.
Cette force est au sens de Newton une force réelle, qui pourra avoir diverses origines, par exemple:
- force de gravitation (mouvement des planètes)
- force de tension (mouvement circulaire d'une masse accrochée à un fil tendu dont l'autre extrémité est généralement fixe ou presque).
- En patinage artistique, une vrille de la patineuse.
- Certains manèges dans les parcs d'attraction.
Diagramme de corps libre
Le diagramme est une représentation des forces qui s'exercent sur un corps à l'aide de vecteurs. Il permet de comprendre plus facilement les interactions entre les forces et les moments agissants sur le corps libre.
Exemple:
Un enfant laisse tomber une balle du balcon.
Équilibre et résultante de plusieurs forces:
Voici des petits exemples de la vie courante que vous connaissez sûrement et ou nous pouvons retrouver un équilibre.
- Le tir à la corde (souque à la corde) est une activité qui oppose 2 équipes dans une épreuve de force. Quand la corde ne bouge pas; il y a un équilibre entre les deux équipes. Les forces opposées sont donc égales.
- Une balançoire à bascule pour enfant, si les deux enfants sont de même poids, il y aura forcément un équilibre.
La force résultante est équivalente à l'ensemble des forces appliquées sur l'objet c'est-à-dire qu'elle est la somme vectorielle de toutes les forces présentes sur un objet. Pour déterminer la force résultante, il faut tenir compte de l'intensité des forces en présence, du sens et de l'orientation de ces forces.
Exemple:
Force équilibrante
La force équilibrante est la force qui annule la force résultante donc la somme des forces soit égale à zéro. Elle est de même grandeur, de même direction mais de sens inverse.
Exemple:
Force de frottement
La force de frottement est une intersection qui s'oppose au mouvement relatif entre deux systèmes en contact. Son action est caractérisée par une norme et une orientation, ce qui en fait un vecteur. L'orientation de la force de frottement créé sur un corps est opposée au déplacement de ce corps relatif à son environnement. Une force de frottement a pour effet soit de ralentir le mouvement, soir l'arrêter o l'empêcher de bouger.
Il existe différents facteurs influençant la force de frottement:
- La nature de la surface qui est en contact: les surfaces lisses offrent moins de frottement que les surfaces rugueuses.
- La forme de l'objet qui se déplace.
Exemple:
Accélération gravitationnelle
L'accélération gravitationnelle est l'accélération que subirait un corps s'il était en chute libre sur un astre comme la Terre ou la Lune.
Force gravitationnelle
- Cette force attractive agit sur toutes masses. La plus faible des quatre forces de la nature, mais aussi celle qui a la plus grande protée, elle agit sur l'ensemble de l'univers. L'intensité de cette force dépend de la masse de l'objet.
- La chute libre est le mouvement vertical effectué par un objet lorsqu'il ne subit que l'effet de la force gravitationnelle (déterminé par la pesanteur). L'objet est soumis à une force unique, son poids, et les autre forces sont soit inexistantes, soit négligés, par exemple la résistance de l'air.
Exemple:
Un enfant laisse tomber son jouet de 1,5 kg du haut du balcon. Quelle est la force gravitationnelle appliquée sur le jouet ?
Force gravitationnelle généralisée
Exemple:
Force gravitationnelle (plan incliné)
Le plan incliné est une surface plane qui est inclinée par rapport à l'horizontale. Elle peut aider à déplacer les objets, pour un mouvement dans le sens de la pente.
Exemple:
Loi de Hooke
La loi de Hooke stipule que la déformation élastique est une fonction linéaire des contraintes. Sous sa forme la plus simple elle relie l'allongement (d'un ressort, par exemple) à la force appliquée. Elle dit aussi que la force appliquée par le ressort est égale à l'étirement ou la compression du ressort multiplié par une constante. Cette constante se nomme constante de rappel du ressort.
Exemple:
Un ressort, accroché par une extrémité, s'allonge de 3 cm lorsqu'on exerce sur l'autre extrémité une force de 100 N. Quelle est la constante de rappel du ressort ?
Exemple:
Lorsqu'on suspend une masse de 300 g à un ressort, il s'allonge de 5 cm. Quelle est la constante de rappel de ce ressort ?
Force efficace
La force efficace est la composante d'une force responsable du déplacement d'un objet. Elle correspond à la force parallèle au mouvement de l'objet.
Exemple:
Puissance et énergie électrique
- La puissance correspond à la quantité d'énergie produite ou consommée par unité de temps (seconde).
- La puissance correspond donc à un débit d'énergie: si deux systèmes de puissances différentes fournissent la même énergie, le plus puissant des deux est celui qui est le plus rapide.
L'énergie électrique est l'énergie fournie sous forme de courant électrique.
Exemple:
A partir de la fiche signalétique suivante d'une bouilloire, on remarque que la puissance est de 1500 watts. Quelle sera sa consommation d'énergie en joules, si elle prend 10 minutes pour amener l'eau à ébullition ?
Énergie mécanique
L'énergie mécanique est une quantité utilisée pour désigner l'énergie d'un système emmagasinée sous forme d'énergie cinétique et d'énergie potentielle. L'énergie mécanique est associée au mouvement et à la position d'un objet.
La quantité d'énergie mécanique restera toujours la même lorsque la force de frottement est considérée comme nulle. Toutefois, le type d'énergie que possède un chariot du manège varie selon sa position et sa vitesse.
- Plus le chariot du manège est haut plus il y a de l'énergie potentielle.
- Plus il descend et plus il prend de la vitesse donc l'énergie est transformée en énergie cinétique. L'énergie potentielle diminue et l'énergie cinétique augmente.
- Plus il monte et plus il perd de la vitesse donc l'énergie cinétique est transformée en énergie potentielle. L'énergie potentielle augment et l'énergie cinétique diminue.
Certains outils sont utilisés pour convertir l'énergie mécanique pour d'autres formes d'énergies
Exemple:
- Un moteur électrique qui convertit l'énergie électrique en énergie mécanique.
- Un générateur électrique convertit l'énergie mécanique en énergie électrique.
- Un moteur thermique transforme la chaleur en énergie mécanique.
Énergie cinétique
L'énergie cinétique est l'énergie qu'accumule un corps en mouvement.
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| Source: Fiche auto |
- L'énergie cinétique est directement proportionnelle à lamasse du corps.
- L'énergie cinétique est directement proportionnelle au carré de sa vitesse.
- Plus la masse est grande et plus l'Énergie cinétique est grande (vice et vers).
- Plus la vitesse est grande et plus l'énergie cinétique est grande (vice et vers).
Exemple:
Exemple:
Énergie potentielle
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| Source: collège Marguerite Valois |
L'énergie potentielle est l'énergie que possède un objet grâce à sa position ou sa forme. Cette énergie provient d'un transfert d'énergie.
- L'énergie potentielle est directement proportionnelle à al masse du corps et de la hauteur.
- Plus la masse est grande et plus l'énergie potentielle est grande (vice versa).
- Plus le corps est haut et plus l'énergie potentielle est grande (vice versa).
Exemple:
L'énergie potentielle gravitationnelle est l'énergie potentielle associée au champ gravitationnel. C'est le travail nécessaire pour déplacer un objet.
L'énergie potentielle élastique est l'énergie potentielle dans un corps lorsque ce dernier est compressé ou étiré par rapport à sa position naturelle. Lorsque la force comprimant ou étirant le ressort cesse, le corps tend à retourner à sa position naturelle.
- L'énergie d'un ressort est directement proportionnelle au carré de l'allongement.
- Plus l'allongement augmente et plus l'énergie est grande (vice vers).
- Plus la constante de rappel est grande et plus l'énergie potentielle est grande.
- Plus la constante de rappel est grande et plus l'allongement est petit (vice vers).
Exemple:
Exemple:
Le travail
Le travail est l'énergie fournie par cette force lorsqu'elle est appliquée sur un corps provoquant un déplacement dans le même direction que cette force. C'est donc un transfert d'énergie. Si par exemple, on pousse une bicyclette, le travail de la poussée est l'énergie produite par cette poussée.
Aucun déplacement = aucun travail
Exemple:
Exemple:
Le travail et l'énergie
Puissance
La puissance est la quantité de travail effectué par unité de temps par un système à un autre. C'est donc une grandeur scalaire. La capacité d'un système à fournir un travail en un temps donné s'exprime par le rapport:
Exemple: Le même travail est effectué pour déneiger avec une pelle ou une souffleuse par contre la puissance n'est pas la même car le temps pour effectuer le travail diminue considérablement avec une souffleuse.
Exemple:
Exemple:
