Bases de physique

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		Sommaire de cette page Pour se mettre dans le bain >>> Comprendre la physique >>> Les quatre domaines à surveiller Principales notions expliquées >>> Première notion – Forces >>> Deuxième notion – Mouvement >>> Troisième notion – Ce qu'il faut retenir Bases de la physique – Détails >>> Mouvement >>> Vitesse >>> Inertie >>> Masse >>> Centres inertie, masse, gravité >>> Forces >>> Équilibre

Cette page a été construite suite à des échanges avec des élèves de seconde

Pour se mettre dans le bain

Comprendre

La physique? Une bestiole mystérieuse!

En classe de seconde, l'apprentissage de la physique est déroutant pour une grande quantité d'élèves. J'ai connu ce phénomène autour de moi il y aune cinquantaine d'année, mes enfants me l'ont rapporté également pour leur époque. Je vis encore cela actuellement avec les enfants à qui j'offre mon aide. Phénomène permanent, pourquoi?

En reprenant les livres de cours de ces trois périodes, les choses ont pourtant bien changé. Les explications sont plus concrètes et abondamment illustrées. Les conclusions sont étayées par l'observation. Alors?

La physique est une matière aux concepts nouveaux. Elle a la réputation d'être ardue et parfois imprécise, contrairement aux maths. Face à cet "être" mystérieux, l'élève est prudent et bourré de questionnements: - Est-ce que j'ai le droit de faire comme ceci ou comme cela?

Concret ou abstrait

L'enseignement français est connu pour être un brin élitiste. Goût de l'abstraction. Propension à passer du général au particulier …

Par exemple, les manuels pas si anciens consacraient leurs premières pages à introduire des repères (systèmes de mesures des coordonnées) de toutes sortes. Alors que les cours de ce niveau se contentent de celui bien connu en maths (orthonormé, attaché au sol ou éventuellement à un mobile).

Les manuels de 2012 que j'ai pu voir me semblent plus axés sur l'expérience, l'observation et la déduction. Une bonne chose.

Alors quoi?

Pourtant, même en 2012, bon nombre d'élèves, y compris bons en maths, ne comprennent pas bien. À tout le moins, ils manquent d'assurance. Essayons de décortiquer pourquoi. Je vois quatre domaines méritant attention.

Les quatre domaines à surveiller

Concepts de physique

Le cœur de l'apprentissage.

Idéalisation

Simplification nécessaire pour débuter.

Force, poids, tension, réaction,

Moment, équilibre,

Masse, inertie, poids,

repère galiléen,

Etc.

Point modélisant un objet;

Repère attaché à un mobile (Terre, train …);

Travail en laboratoire, système isolé ou idéal, introduction du véhicule autoporteur sur coussins d'air. En gros: s'affranchir des frottements.

Vocabulaire et notations

Un jargon nécessaire, mais à stabiliser et à circonscrire pour le novice.

Lien avec les maths

Maths et physique ne sont pas antinomiques.

Introduction de subtilités entre centre d'inertie, de masse ou de gravité. Pour ce qui nous concerne ici, disons que c'est la même chose.

Notation de l'intervalle de temps: . Trouble! Lequel choisir? Réponse >>>

Introduction du repère terrestre qui laisse un doute sur faut-il prendre en compte les effets de la Terre en rotation?

Trajectoire curviligne, c'est quoi? Par rapport au cercle, à la parabole, à l'hyperbole et autres.

Une formule de physique n'est pas un tout encapsulé et réservé à la physique. C'est une relation mathématique qui se traite avec les règles de l'algèbre classique.

Exemple

donne aussi:

Principes notions expliqués

Première notion – Force
Si nous tirons chacun de notre côté avec la même force, la corde reste immobile. Si l'un tire plus fort, la corde se déplace dans son sens.	Si nous tirons de chaque côté de la jante avec la même force, la roue ne tourne pas. Si je tire plus fort d'un côté, elle tourne. Si je tire quelque part sur un rayon avec la même force, la roue tournera de l'autre côté (effet de levier).
La notion de force n'est pas plus compliquée que cela. La flèche symbolise le sens de l'action et la longueur de la flèche l'intensité de l'action. Une telle flèche, utile en physique et ailleurs, est devenue un objet mathématique en soit, baptisé vecteur.

Voir Vecteur

Deuxième notion – Mouvement

Une voiture roule sur la route plate. Nous coupons le moteur. Que se passe-t-il?

Dans un monde idéal (laboratoire), elle continue à rouler en ligne droite et à la même vitesse, indéfiniment. Tellement étonnant que les physiciens appellent ce phénomène, le principe de l'inertie (une des trois lois de Newton).

Nous savons tous que dans le monde réel, la voiture va vite s'arrêter bien vite. Il y du vent qui freine, les pneus qui s'agrippent sur l'asphalte et tous frottements des roulements internes à la voiture. Bref, un certain nombre de contraintes ralentissant la voiture.

Troisièmement – Ce qu'il faut retenir

Tout le cours de physique en résumé:

1) Un contexte: un monde idéal sans frottement, ni dans l'air, ni sur la route, ni dans les roulements à billes … Tout cela parce que la modélisation de ces phénomènes serait très difficile. Dans un premier temps, il est préférable d'aborder les lois de la physique sans cette compléxité.

2) Un phénomène curieux: dans ce monde idéal, un objet au repos reste au repos (normal!), mais, un mobile qui roule continue à rouler indéfiniment (normal, il n'y a pas de frottements), et cela en ligne droite et en conservant sa vitesse.

3) Une voiture est très petite par rapport à l'autoroute; elle est considérée comme un point sur une courbe. Si l'objet est gros, on l'idéalise en prenant son centre de gravité. Ce qui sera justifié plus tard.

4) La vitesse est tout simplement la distance divisée par la durée pour la parcourir (km / h). Elle est représentée par un vecteur (une flèche) dont la longueur est représentative de la valeur de la vitesse, et la direction et le sens montrent la route qui est suivie.

5) Un objet est immobilisé (en équilibre) si toutes forces qui tirent dessus s'annulent. Je tire sur une corde et tu tires de l'autre côté avec la même force, la corde ne bouge pas.

6) Une force est représentée par un vecteur qui montre son intensité (plus ou moins importante), sa direction (la droite qui porte le vecteur) et son sens (là où est la flèche). Vitesse et force sont donc représentées par des vecteurs.

7) Le poids d'un objet est une force verticale dirigée vers le bas. Elle dépend de la quantité de matière dans l'objet (sa masse) et la pesanteur du lieu (différente à Paris ou au pôle nord).

8) Lorsque je tire sur une corde attachée à un crochet, j'exerce une force sur la corde; en retour, le mur et le crochet résiste par une force. La somme des deux forces est nulle, ce qui explique que la corde reste immobile. La corde est soumise à une tension.

9) Un livre posé sur la table exerce une pression sur la table du fait de son poids. Le livre ne tombe pas, car la table exerce une réaction. La somme des deux forces (poids et réaction de la table) est nulle. Le livre ne bouge pas.

10) Un disque sur un axe de rotation. Je tire sur le bord du disque, il tourne. Dans le monde idéal, il tourne sans arrêt. Toute force appliquée sur le disque à l'extérieur de l'axe va mettre le disque en rotation.

11) Une force identique de l'autre côté va l'empêcher de tourner. Si je me rapproche de l'axe, il faudra une force plus grande et, plus petite, si je m'en éloigne. Une force (F) accompagnée d'un bras de levier (d) conduit à la notion de moment d'une force. Il caractérise la capacité de la force à faire tourner l'objet.

12) Un objet entre en collision avec un autre. Ils ont chacun une certaine quantité de mouvement et se la "partage" lors du choc. C'est une grande loi de la physique: la quantité de mouvement est conservée quels que soient les chocs subis (dans notre monde idéal). La quantité de mouvement dépend de la masse de l'objet et de sa vitesse.

13) L'inertie est apparentée à la masse. C'est l'inertie d'un objet qui caractérise son aptitude à poursuivre un mouvement ou à résister à ce mouvement. Dans un virage la force d'inertie vous plaque contre la portière. Vient de l'adjectif "inerte": qui ne bouge pas.

Bases de la physique – Détails

Bases – Mouvement

Mécanique

Décrire les mouvements,

En trouver les causes, et

Prévoir les mouvements ultérieurs.

Mouvement

L'objet en mouvement se déplace par rapport à quoi?

Il s'agit de décrire la trajectoire d'un mobile.

Qui se déplace dans un référentiel.

Le mouvement peut être:

1) rectiligne: le long d'une ligne droite,

2) uniforme: toujours à la même vitesse,

3) rectiligne et uniforme: même vitesse sur une droite.

4) curviligne: trajectoire courbe,

5) circulaire: le long d'une cercle,

6) circulaire uniforme: à vitesse constante,

7) quelconque: trajectoire quelconque et vitesse changeante.

Référentiel

Objet par rapport auquel on décrit le mouvement d'un mobile.

La Terre est le référentiel pour étudier le mouvement d'une automobile. Ce peut être un train ou un bateau dans lequel on étudie le mouvement des passagers.

Repère orthonormé

Moyen commode d'indiquer la position d'un objet dans l'espace.

Habituellement on associe ce repère au référentiel.

Systèmes d'axes perpendiculaires.

Ayant chacun la même unité de mesure.

La position d'un objet est déterminée par ses coordonnées dans ce repère.

Objet & Point

Un objet (mobile ou non) est représenté par un point dans le repère.

Nous verrons comment choisir ce point ultérieurement.

Solide indéformable

Objet dont la distante entre deux points quelconques est invariable au cours du temps.

Objet, corps, solides pourront généralement être considérés comme des notions équivalentes. Voire même plus tard: systèmes.

Coordonnées

Si les coordonnées d'un point avec le temps:

1) sont constantes: le point est immobile, au repos ou en équilibre;

2) évoluent avec le temps, le point est en mouvement.

Trajectoire

C'est la ligne, la courbe décrite par le point en fonction du temps.

Un objet est assimilé à un point s'il est petit par rapport à la trajectoire.

Date & Instant

En plus des coordonnées dans l'espace, un point est caractérisé par sa date par rapport à un instant choisi comme origine.

On note T₀ l'instant d'origine et T un instant quelconque.

Bases – Vitesse
Vitesse	Distance parcourue par unité de temps.
Vitesse moyenne	Distance (L) divisée par le temps (T) mis pour la parcourir.
Vitesse instantanée	Vitesse moyenne sur un temps très court (t – t') autour du point considéré (l – l').
Mouvement uniforme	C'est le cas si la vitesse instantanée est constante. Elle est alors égale à la vitesse moyenne.
Vecteur vitesse	Flèche graphique représentant la vitesse instantanée en un point. 1) Direction: celle de la trajectoire; 2) Sens: celui du déplacement; 3) Norme: vitesse instantanée (d'une manière générale, c'est l'intensité de la grandeur représentée). Application immédiate si le mouvement est rectiligne.
Mouvement rectiligne uniforme	Le vecteur vitesse est constant.
Mouvement curviligne	Le vecteur vitesse (instantanée) est porté par la tangente à la courbe.

Suite Vitesse

Bases – Inertie

Principe d'inertie

Sans actions extérieures, un objet reste:

1) soit au repos,

2) soit en mouvement rectiligne uniforme.

Sens commun

Une voiture sans action du moteur s'arrête bien vite. Ce sont les forces de frottement de l'air et sur les pneus qui stoppent le véhicule. Sans air, ni route, la voiture continuerait sa course indéfiniment.

Pour vaincre ces contraintes le moteur propulse la voiture. Dans un monde idéal, cette propulsion entraînerait une accélération permanente du véhicule (2^e loi de Newton).

Système isolé

Aucune interaction sur l'objet. Ou, s'il ya interactions, elles sont compensées (comme en utilisant un mobile autoporteur sur coussins d'air)

Un système isolé n'existe pas dans notre Univers.

Un système pseudo-isolé se comporte comme si l'extérieur n'interagissait pas avec lui.

Centre d'inertie

Point d'un objet qui représente la trajectoire d'un objet, même si celui-ci est animé autour de ce point durant le mouvement.

Dans un système isolé, un objet lancé en tourbillonnant suit grosso-modo un mouvement rectiligne uniforme. En effet:

Il existe toujours un point exactement animé d'un mouvement rectiligne et uniforme. C'est le centre d'inertie. Voir Centre de gravité

Pour un triangle quelconque, le centre d'inertie (de gravité) est le point de concours des médianes.

Principe d'inertie

(1^ère loi de Newton)

Dans un système idéal (isolé ou pseudo-isolé), le centre d'inertie d'un solide indéformable:

1) s'il est au repos, reste au repos,

2) s'il est en mouvement, est animé d'un mouvement rectiligne uniforme.

Suite >>>

Repère ou référentiel galiléen

Repère: on préfère dire référentiel aujourd'hui.

Comme me l'a dit un étudiant suite à mes explications: Ah, ça y est, j'ai compris! C'est une sorte de "bulle" dans laquelle on travaille.

Repère ou référentiel galiléen ou encore référentiel inertiel.

C'est le cas si le principe d'inertie y est vérifié.

Galiléen précise simplement que la "bulle" est au repos ou en mouvement rectiligne uniforme et non pas en accélération.

C'est le cas si le principe d'inertie y est vérifié.

La Terre et tous les repères qui lui sont liées sont considérés comme galiléens dans la plupart des calculs.

Par opposition, un référentiel non-inertiel est tel qu'il est animé d'un mouvement accéléré par rapport à un référentiel inertiel.

Bases – Masse
Masse	Quantité de matière composant l'objet. Indépendante du lieu (ce qui n'est pas le cas du poids). Grandeur scalaire (en clair: un nombre) exprimée en kilogrammes.
Masse volumique	Masse par unité de volume: en
Centre de masse (G)	C'est le centre d'inertie d'un objet seul. Avec plusieurs objets, c'est le barycentre des centres d'inertie. Centre d'inertie, centre de masse et centre de gravité procèdent de la même notion.
Quantité de mouvement	Produit: masse par vitesse (vecteur) de son centre d'inertie (lire rhô)
Plusieurs solides	Somme vectorielle de la quantité de mouvement de chacun des solides.
Conservation (3^e loi de Newton)	La quantité de mouvement d'un système (isolé ou pseudo-isolé) est constante. Connu sous le nom d'action-réaction. Une arme à du recul: la balle part et l'arme recule. Choc de deux billes: chacune repart de son côté. Principe des avions à réaction.

Bases – Centres identiques?
Centre d'inertie ou de masse	Barycentre des masses. Point d'application des effets d'inertie, c'est-à-dire du vecteur variation de quantité de mouvement. Si un objet est en rotation autour d'un axe ne passant pas par ce centre, l'objet ne tourne pas rond. Il y a un balourd.
Centre de gravité (G)	Point d'application du poids, résultante des forces de gravité ou de pesanteur. Simplification: le poids est une force qui s'applique en un point unique, G du corps. Le CdG dépend du champ de gravitation auquel le corps est soumis. Ce champ est la plupart du temps uniforme dans le corps considéré centre de gravité = centre d'inertie.

Voir Centre de gravité – Développements / Index

En langage de tous les jours

De nombreuses définitions utiles pour être précis. Mais retenons en pratique: un solide est représenté (simplifié) par son centre d'inertie (centre de gravité). Lancé sans frottement, il prend un mouvement en ligne droite et à vitesse constante.

Pour définir la trajectoire, on prend le système d'axes habituel en x, y et z. La vitesse est représentée par une flèche dont la longueur (norme) témoigne de la vitesse en mètres par seconde. Sur une trajectoire courbe, le vecteur vitesse est porté par la tangente.

Des objets qui s'entrechoquent partage leur quantité de mouvement sans en perdre.

Bases – Forces

Forces

Interaction entre deux systèmes A et B.

1) A exerce une force sur B,

2) B exerce une force su A.

Effets potentiels dynamiques

Modification de la trajectoire d'un système;

Variation de la quantité de mouvement.

Effets potentiels statiques

Maintien d'un équilibre;

Déformation du système.

Actions réciproques

Interaction entre deux systèmes A et B: les forces sont égales mais opposées.

TENSION

RÉACTION

Force exercée par un objet immobile en résistance à une autre force.

C'est une force "muette". il ne faut pas l'oublier.

Tension dans câble lorsqu'on tire dessus.

Réaction du support sur lequel un objet est posé.

FORCE ÉLASTIQUE

Cas d'un élastique ou d'un ressort qui se déforme sous l'effet d'une force. Le ressort résiste en se déformant. L'équilibre obtenu, il est l'objet d'une tension interne qui s'oppose à la force appliquée.

L'intensité de la tension est proportionnelle à l'allongement (a) du ressort et à sa raideur (k).

FROTTEMENTS

Forces qui s'opposent au mouvement.

Intensité dépend de la surface de contact et de sa nature

POIDS

Force exercée par la Terre sur les objets.

Elle est verticale dirigée vers le bas.

Le poids d'un objet varie selon l'endroit où il se trouve. C'est l'accélération (ou champ) de la pesanteur (g) qui varie selon les points de la planète.

à Paris

Voir Symboles

Bases – Équilibre

Deux forces

S'il y a équilibre, alors les forces sont égales et opposées.

Pas forcément réciproque.

Le solide peut-être dans une sorte d'équilibre mais en mouvement rectiligne uniforme.

Plusieurs forces

Équilibre si la somme des forces est nulle.

Pas forcément réciproque.

Rotation

L'axe de rotation contient les points immobiles durant la rotation.

Mouvement si une force (non parallèle à l'axe de rotation) est exercée en un point hors de l'axe de rotation.

Moment d'une force

Il s'agit de caractériser l'effet de rotation de cette force du fait de la longueur du levier.

Produit de l'intensité de la force par sa distance à l'axe d rotation.

C'est une valeur algébrique dont le signe dépend du sens positif choisi.

d est la distance entre la droite d'action de la force et l'axe de rotation

Équilibre

Théorème des moments

Équilibre si la somme des forces (vecteurs) est nulle et si la somme des moments (scalaire) est nulle.

Condition nécessaire, pas suffisante.

Poulie

Cas typique d'un objet en équilibre de rotation

Une poulie transmet les forces en changeant leur direction tout en conservant leur intensité.

Moment égaux avec d1 = d2 = R Forces égales

Suite	Levier Référentiels et forces fictives
Voir	Archimède – Biographie Archimède et ses contemporains Calculs sur gravitation et pesanteur Force de Coriolis Histoire Euréka Sciences – Index
Aussi	Dicomot
Livre	Guide de la mécanique – Jean-Louis Fanchon – Nathan – 2019 – Complet et clair
Cette page	http://villemin.gerard.free.fr/aScience/Physique/Base.htm