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Actions mécaniques, forces et inertie

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Les différentes actions mécaniques

  • Lorsqu’un objet ou système agit sur un autre objet, on parle d’action mécanique.
  • Si les systèmes ou objets qui agissent l’un sur l’autre sont en contact, on parle d’action de contact. L’action mécanique de contact est répartie sur toute la surface de contact et s’arrête s’il n’y a plus de contact.
  • Si les systèmes ou objets qui agissent l’un sur l’autre sont à distance, on parle d’action à distance.
  • Diagramme objet-actions

La construction du diagramme objet-actions suit plusieurs étapes :

  • on fait la liste des objets ou systèmes qui agissent entre eux.
  • on schématise les différents objets ou systèmes.
  • on schématise par des flèches les actions mécaniques exercées sur le système étudié.
  • Le sens de la flèche va du système qui exerce l’action vers le système étudié :
  • une action de contact est représentée par une flèche en trait plein ;
  • une action à distance est représentée par une flèche en pointillés.

Forces exercées sur un système

  • Principes de représentation
  • Une force exercée sur un système peut être représentée par un vecteur force F caractérisé par un point d’application, une direction ou droite d’action, un sens et une valeur exprimée en Newtons N.
  • Deux forces se compensent si elles ont la même direction, la même valeur et des sens opposés.
  • Le point d’application de la force se situe au point de contact entre le système étudié et le système qui exerce la force s’il s’agit d’une action mécanique de contact.
  • On appelle droite d’action la droite qui a la même direction que la force et qui passe par son point d’application.
  • La Terre exerce sur le système une action mécanique à distance et dans ce cas-là, le point d’application de la force se situe au centre de gravité du système étudié.
  • Pour nommer les vecteurs sur le schéma du système, on indique en indice le système qui exerce la force et le système étudié. $$\overrightarrow{F}_{\text{système/système étudié}}$$
  • Interpréter les actions des forces représentées

Connaissant la direction et le sens d’une force, on peut prévoir son action sur le système.

Considérons un système en mouvement sur lequel s’exerce une force :

  • Premier cas : la force est parallèle à la direction du mouvement. Elle peut alors modifier la vitesse du mouvement. En effet si la force est parallèle et dans le même sens que le mouvement, elle accélère celui-ci. Par contre si elle est parallèle et en sens opposé au mouvement, elle ralentit celui-ci.
  • Deuxième cas : la force est perpendiculaire à la direction du mouvement. Elle peut alors modifier la trajectoire du mouvement. En effet si la force est perpendiculaire au mouvement et dirigée vers le haut, alors elle peut dévier la trajectoire vers le haut. Et inversement si la force est perpendiculaire au mouvement et dirigée vers le bas, elle peut dévier la trajectoire vers le bas.
  • Troisième cas : la force est orientée de façon quelconque (ni parallèle ni perpendiculaire au mouvement). Elle peut alors modifier à la fois la vitesse et la trajectoire du mouvement.
  • Le poids
  • la force à distance qu’exerce la Terre sur tout système ou objet posé sur elle ou présent dans son champ d’action est appelé le poids et est notée vecteur $\overrightarrow{P}$. $$\overrightarrow{P}_\text{Terre/système}$$

Les caractéristiques du poids $\overrightarrow{P}$ d’un système sont les suivantes :

  • c’est une action mécanique à distance, son point d’application est le centre de gravité du système ;
  • sa direction est verticale, orientée vers le centre de la Terre ;
  • son sens est vers le bas ;
  • sa valeur est exprimée en Newton $N$ ; le poids se calcule en multipliant la masse du système par l’intensité de pesanteur. $$P= m\times g$$
  • $m$ est la masse du système en kilogrammes $kg$ ;
  • $g$ est l’intensité de la pesanteur, c’est une constante sur Terre où elle vaut 9,81 newtons par kilogramme $N\cdot Kg^{-1}$.
  • Principe d’inertie
  • Un système est dit isolé quand il n’est soumis à aucune force extérieure : il n'interagit pas avec son environnement.
  • Un système est dit pseudo-isolé quand il est soumis à des forces qui se compensent.
  • Si dans le référentiel terrestre, un système n’est soumis à aucune force ou est soumis à des forces qui se compensent, alors soit ce système reste immobile soit il a un mouvement rectiligne uniforme.
  • Réciproquement, si dans le référentiel terrestre, un système est immobile ou a un mouvement rectiligne uniforme, alors les forces qui s’exercent sur ce système se compensent.
  • Si on l’étudie généralement dans un référentiel terrestre, le principe d’inertie s’applique aussi dans les autres référentiels :
  • dans le référentiel géocentrique il sert à étudier le mouvement de la Lune ou des satellites.
  • dans le référentiel héliocentrique il permet d’étudier le mouvement des planètes.