Physique-Chimie — Seconde
Les forces et l'équilibre — Seconde Physique
Notion de force, représentation vectorielle, principe d'inertie et conditions d'équilibre d'un solide.
Par ProfBot
Les forces et l'équilibre — Seconde Physique
🎯 Objectif : Comprendre ce qu'est une force, comment la représenter et quand un objet est en équilibre.
1. Qu'est-ce qu'une force ?
Une force est une action exercée par un objet sur un autre.
Une force peut :
- Modifier le mouvement d'un objet (accélérer, freiner, dévier)
- Déformer un objet
Unité : le Newton (N)
Représentation : une force est un vecteur caractérisé par :
- Point d'application
- Direction (droite sur laquelle elle est portée)
- Sens
- Norme (valeur en N)
2. Principales forces
Poids P⃗
Force exercée par la Terre sur un objet (attraction gravitationnelle).
P = m × g
P : poids en N
m : masse en kg
g : intensité de la pesanteur ≈ 9,8 N/kg (≈ 10 N/kg en approximation)
Direction : verticale, vers le bas.
⚠️ Masse (kg) ≠ Poids (N) ! La masse est une propriété de l'objet, le poids dépend du lieu.
Réaction du support (normale) N⃗
Force exercée par le support sur l'objet, perpendiculaire à la surface de contact.
Force de frottement f⃗
S'oppose au mouvement, tangente à la surface.
Tension T⃗
Force exercée par un fil/câble sur un objet, dans l'axe du fil vers le point d'attache.
3. Principe d'inertie (1ère loi de Newton)
Si un objet est soumis à des forces qui se compensent (ou à aucune force), alors son mouvement est rectiligne uniforme (ou il reste au repos).
ΣF⃗ = 0⃗ ⟺ v⃗ = constante (MRU ou repos)
Inversement : si un objet accélère, c'est qu'il existe une force résultante non nulle.
4. Conditions d'équilibre d'un solide
Un objet est en équilibre (immobile ou MRU) si et seulement si la somme vectorielle de toutes les forces est nulle :
F⃗₁ + F⃗₂ + F⃗₃ + ... = 0⃗
Cas à deux forces
Deux forces équilibrent un objet si elles sont :
- Égales en norme
- Opposées en sens
- De même direction (colinéaires)
- De même point d'application (ou même droite d'action)
Cas à trois forces
Trois forces équilibrent un objet si elles sont coplanaires et concourantes (passent par le même point) et si leur somme vectorielle est nulle.
5. Méthode de résolution graphique
Pour vérifier l'équilibre :
- Représenter toutes les forces à la même échelle
- Les additionner graphiquement (règle du parallélogramme ou polygone des forces)
- Si la résultante est le vecteur nul → équilibre
6. Exemple : livre posé sur une table
Forces exercées sur le livre :
- Poids P⃗ (vers le bas) : P = m×g = 0,3 kg × 10 = 3 N
- Réaction de la table N⃗ (vers le haut)
Livre en équilibre → ΣF⃗ = 0⃗
N⃗ + P⃗ = 0⃗
N = P = 3 N (vers le haut)
7. Exemples d'application
Objet suspendu par deux fils : Trois forces : poids P⃗, tensions T⃗₁ et T⃗₂. L'équilibre donne un système d'équations en projetant sur les axes x et y.
Plan incliné : Forces : poids P⃗, réaction N⃗ (perpendiculaire au plan), frottement f⃗ (le long du plan vers le haut).
📝 Exercices
- Un objet de masse 5 kg est posé sur une table. Calculer son poids (g = 10 N/kg).
- Un livre de 400 g est accroché à un fil vertical. Calculer la tension du fil.
- Un bloc est en équilibre sur un plan incliné à 30°. Quelles sont les forces qui agissent sur lui ?
- Deux forces de 6 N et 8 N s'exercent perpendiculairement sur un point. Calculer la norme de la résultante.
✅ À retenir
P = mg (poids en N, masse en kg, g ≈ 10 N/kg)
Équilibre : ΣF⃗ = 0⃗
Principe d'inertie : ΣF⃗ = 0⃗ ↔ MRU ou repos
Force = vecteur (point, direction, sens, norme)
Masse (kg) ≠ Poids (N)