TP P3 FORCES ET MOUVEMENTS
I/Objectifs du TP :
* Introduire la notion de force (interaction)
* Mettre en évidence les différents effets des forces .
II/Activité préliminaire : bilan de forces
a)Problème posé :
Différentes situations sont envisagées :
Situation 1 - Un élève monte sur le pèse-personne, un bâton à la main.
Situation 2 - Avec le bâton, il appuie sur le pèse-personne,
Situation 3 - Avec le bâton, il appuie sur le sol,
Situation 4 - Avec le bâton il appuie au plafond,
Q1)Quel est le sens de variation de l’indication du pèse-personne dans les situations 2, 3 et 4 ?( Dire si la valeur indiquée sera supérieure, inférieure ou égale à celle de la situation 1).
Les réponses seront interprétées en termes de forces (choix du système, construction des vecteurs forces )
b)Diagramme des interactions :
Représentationdes objeReprésentation des interactions
à distance :
de contact :
Q2)Compléter le schéma des interactions ci-dessus .
III/Effets des forces :
1)Déformation :
exemples : * allongement d'un ressort
Q3)Etablir le bilan des forces qui agissent sur un ressort lorsqu'on l'allonge (faire un schéma).
* déformation de la pâte à modeler
2)Solide en équilibre
a)Equilibre d'un solide soumis à deux forces :
Q4)Etablir le diagramme des interactions sur la masse m
Q5)Représentez les forces appliquées à la masse m .
Le dynamomètre indique la valeur de la tension du ressort . On note 
le vecteur force correspondant .
Q6)Comparez la valeur indiquée par le dynamomètre au poids de la masse m .En déduire la relation vectorielle :
(1)
b)Equilibre d'un solide soumis à trois forces
La soufflerie permet de réduire les frottements entre la règle et la masse m . Dans ces conditions , l'action de contact de la règle sur la masse m est une force perpendiculaire aux surfaces en contact : celle-ci est représentée sur la figure ci-contre .
Nous retiendrons :
En l'absence de frottements , les forces de contact sont perpendiculaires aux surfaces en contact .
Q7)Reproduisez le schéma sur votre copie et complétez le en représentant l'ensemble des forces appliquées à la masse m .
Nous admettons que la relation (1) établie précedemment est généralisable à un solide en équilibe soumis à un ensemble de forces quelconques . Cette relation s'écrit ici :
Q8)Noter : T=................ N (tension indiquée par le dynamomètre)
P= mg =............... N
Déterminer 
par
construction graphique .
3)Mise en mouvement ou modification du centre d'inertie d'un solide .
Q9)Enoncez le principe d'inertie (vu en classe de seconde)
Deux mobiles autoporteurs SA de masse mA = 785 g et SB de masse mB = 500 g sont lancés sur une table horizontale . Ils se télescopent . Les mouvements de leurs centres A et B sont enregistrés (document 1) . La durée entre deux pointages est égale à t=40 ms .
Q10) Quelle est la nature des mouvements de A entre A0 et A3 et B entre B0 et B3 , c'est à dire avant le choc ?Justifiez votre réponse .
Q11)Quelle est la nature des mouvements de A à partir de A9 et de B à partir de B9, c'est à dire après le choc ?
Q12)Sur le document 2 sont représentées les forces d'interaction auxquelles sont soumis les mobiles pendant la collision . Quelle est la durée de la collision ?
Que peut-on dire des mouvements de A et B pendant le choc ?
Q13)Enoncez le principe des interactions (principe de l'action et de la réaction) . Ce principe est-il vérifié pendant la collision ?
Q14)Donnez les définitions des vecteurs vitesse 
et
construisez les sur le document en utilisant une échelle appropriée .
Q15)Construire le vecteur 
. Comparer la direction et le sens
de ce vecteur à ceux de 
. Quelle est l'influence de la force sur
le vecteur vitesse ?
Q16)Construire la trajectoire du centre d'inertie G du système constitué des deux mobiles.Quelle est la nature du mouvement de G ?
Réponses aux questions :
Q1)de (1) à (2) : l'indication du pèse personne ne change pas
de (2) à (3) ou de (1) à (3): la valeur indiquée par le pèse personne diminue
de (1) à (4) : l'indication donnée par le pèse personne augmente .
Q2)
Q3)
Le ressort est fixé en A et un opérateur tire sur l'autre extrêmité .
La masse du ressort est négligée : son poids n'est donc pas représenté .
Q4)
La masse m est soumise à :
* une action à distance (poids)
* une action de contact (tension du ressort)
Q5)
Q6)On constate que T=P=mg , d'où dans ce cas la relation vectorielle (1)
Q7)
La masse m est soumise à tois forces :
* son poids 
(action à
distance)
* La réaction 
du
support , perpendiculaire aux surfaces en contact (donc à la règle) car il n'y a pas de
frottements (soufflerie) . C'est une action de contact .
* La tension 
du
dynamomètre (ressort)
Q8)Les mesures effectuées sont :
h1= 11 cm ; h2= 24,8 cm et L= 1 m
T = 0,15 N (valeur indiquée par le dynamomètre)
m = 128 g et donc P = mg= 0,128*9,81 = 1,25 N
Echelle de forces utilisée sur le schéma : 1 N <------> 8 cm
sin a = (h2-h1)/L = 0,138 et donc a = 8 °
La condition nécessaire d'équilibre 
implique que 
. La construction de 
qui en résulte est en annexe I . La longueur
de la flèche qui représente (obtenue
par construction), ayant une longueur de 10 cm , on en déduit (aux erreurs de tracés
près) R=1,25 N .
On retrouve bien sur la construction graphique le fait que est perpendiculaire à la règle .
Q9)Principe d'inertie :
Le centre d'inertie d'un système persévère dans son état de repos ou de mouvement rectiligne uniforme si les forces qui s'exercent sur le système se compensent .
ou
Lorsque les forces appliquées à un système se compensent , la vitesse du centre d'inertie du système est constante en valeur , en direction et sens ou est nulle .
Q10)Entre A0 et A3 le point A a un mouvement rectiligne (la trajectoire est une droite) uniforme (les distances parcourues pendant des intervalles de temps identiques sont égales [distances entre deux pointages successifs] et la vitesse est par conséquent constante .
De même , B entre B0 et B3 a un mouvement rectiligne uniforme .
Q11)Après le choc , A et B ont chacun un mouvement rectiligne uniforme .
Q12)La durée de la collision est pratiquement comprise entre les dates t3 et t8 . La durée correspondante est donc Dt = t8-t3 = 5t = 200 ms .
Il est évident que pendant le choc , A et B n'ont pas un mouvement rectiligne uniforme .
Q13)Principe de l'action et de la réaction :
Si un corps A exerce une force 
sur un corps B , alors le corps B exerce sur le corps A une force 
. Ce principe est vérifié pendant pendant la
collision : par exemple 
où 
est
l'action qu'exerce B sur A à l'instant t3 ,
tandis que 
est l'action qu'exerce A sur B à l'instant t3 .
Q14) 
. Les mesures donnent VA(t4)
= 2,35 cm/0,08 s=29,4 cm/s
et VA(t6) = 2,45 cm/0,08 s= 30,6 cm/s . Avec une échelle de 10 cm/s
pour 1 cm , 
est représenté par une flèche de 2,95 cm alors que
est représenté par une flèche de 3,06 cm .
Voir annexe 2 - Pour le détail des constructions se reporter à TP P2 .
Q15) La construction de 
est faite sur l'annexe
2 . Il est clair que 
sont colinéaires et de même sens . S'il
n'y avait pas eu de force de collision sur le mobile , le vecteur vitesse serait resté
constant (mouvement rectiligne uniforme ): La force modifie donc ici le vecteur vitesse
qui entre les instants t4 et t6 varie de
Q16) 
: G est le centre d'inertie constitué
par l'ensemble des mobiles SA et SB . Pour les détails de la construction de la
trajectoire de G , voit TP P2 .
Il est clair que G a un mouvement rectiligne uniforme . Le mouvement de G (centre d'inertie de l'ensemble ) n'est donc pas influencé par la collision .
