Physique-Chimie — 3ème
Modéliser une action par une force — Physique-Chimie Troisième (chapitre 9)
Forces en troisième : actions de contact et actions à distance, diagramme objet-interactions, modéliser une action par une force, point d'application,…
Par ProfBot
Modéliser une action par une force
Chapitre 9 — Mouvements et interactions · Classe de troisième
Le chapitre 8 a décrit les mouvements ; celui-ci commence à les expliquer. Une bille ne se met pas à rouler toute seule, un ballon ne retombe pas par hasard : quelque chose agit sur eux. La physique appelle cela une force, et lui donne quatre caractéristiques précises — c'est cette précision qui la sépare du langage courant.
Au programme officiel. Modéliser une interaction par une force caractérisée par un point d'application, une direction, un sens et une valeur. Identifier les interactions mises en jeu (de contact ou à distance) et les modéliser par des forces. Associer la notion d'interaction à la notion de force (généralisation). (Programme de physique-chimie du cycle 4, BO n° 31 du 30 juillet 2020 ; la généralisation de la notion de force est placée au niveau 3e par la ressource Eduscol.)
Une limite du programme : la notion de point d'application n'est abordée que pour des forces ponctuelles, et le vecteur force relève du lycée. En troisième, on dessine un segment fléché.
1. Les interactions : de contact ou à distance
Définition. Deux objets sont en interaction lorsque l'un agit sur l'autre. L'interaction est dite de contact si les deux objets se touchent, et à distance dans le cas contraire.
Le ballon posé sur la table subit deux actions. La table le pousse vers le haut : elle le touche, c'est une action de contact. La Terre l'attire vers le bas alors qu'elle est à des milliers de kilomètres : c'est une action à distance. Le diagramme objet-interactions, à droite, résume la situation : l'objet étudié au centre, les objets qui agissent sur lui autour, reliés par un trait plein (contact) ou pointillé (à distance).
| Situation | Type d'interaction |
|---|---|
| Une main qui pousse une porte | de contact |
| La Terre qui attire la Lune | à distance |
| Un aimant qui attire un trombone sans le toucher | à distance |
| Le sol qui supporte une chaise | de contact |
| L'air qui freine un cycliste | de contact |
Une interaction est toujours RÉCIPROQUE. Si la Terre attire le ballon, le ballon attire aussi la Terre. Si le marteau frappe le clou, le clou repousse le marteau — c'est pour cela que la main est secouée. On dit qu'il n'y a jamais d'action sans réaction.
Méthode — construire un diagramme objet-interactions.
- Choisir et nommer l'objet étudié (le système) ; on l'écrit dans une bulle au centre.
- Chercher tous les objets qui agissent sur lui, chacun dans sa bulle.
- Relier chaque bulle à l'objet étudié : trait plein pour un contact, pointillé pour une action à distance.
2. Modéliser une action par une force
Dire « la table pousse le ballon » est vague. On remplace donc l'action par un objet mathématique unique, la force, qu'on caractérise par quatre informations.
Les quatre caractéristiques d'une force.
— Son point d'application : l'endroit où elle s'exerce.
— Sa direction : la droite le long de laquelle elle agit (horizontale, verticale, oblique).
— Son sens : sur cette droite, vers où elle pousse ou tire.
— Sa valeur : son intensité, en newtons ($\mathrm{N}$).
On la dessine par un segment fléché dont l'origine est le point d'application et dont la longueur est proportionnelle à la valeur. Il faut donc préciser une échelle.
Exemple. Avec l'échelle « $1\ \mathrm{cm}$ pour $20\ \mathrm{N}$ », une force de $60\ \mathrm{N}$ se dessine avec une flèche de $\frac{60}{20} = 3\ \mathrm{cm}$
Attention à ne pas confondre direction et sens. « Verticale » est une direction ; « vers le bas » est un sens. Deux forces peuvent avoir la même direction et des sens opposés — c'est exactement le cas du ballon posé sur la table.
On note une force $F$, souvent avec un indice qui dit qui agit sur qui : $F_{\text{table/ballon}}$ se lit « force exercée par la table sur le ballon ». L'ordre compte.
3. Mesurer une force : le dynamomètre
Le dynamomètre est un ressort gradué. Plus la force qui tire est grande, plus le ressort s'allonge, et l'allongement est proportionnel à la valeur de la force : c'est ce qui permet de graduer l'appareil régulièrement. On lit ici $6{,}4\ \mathrm{N}$.
L'unité. La valeur d'une force se mesure en newtons ($\mathrm{N}$), du nom d'Isaac Newton. Quelques ordres de grandeur utiles :
| Force | Valeur approximative |
|---|---|
| Poids d'une pomme | $1\ \mathrm{N}$ |
| Poids d'un pack de six bouteilles d'eau | $60\ \mathrm{N}$ |
| Poids d'un élève de $50\ \mathrm{kg}$ | $500\ \mathrm{N}$ |
| Force pour ouvrir une porte | quelques newtons |
4. À quoi reconnaît-on qu'une force agit ?
Une force peut :
1. mettre en mouvement un objet immobile — ou arrêter un objet en mouvement ;
2. modifier la direction du mouvement, sans forcément changer la vitesse ;
3. déformer l'objet.
Ces effets peuvent se combiner : un joueur de tennis qui frappe la balle la déforme et change la direction et modifie sa vitesse, le tout en quelques millièmes de seconde.
La conséquence importante, qui prépare la suite. Si le mouvement d'un objet change — il démarre, il freine, il tourne —, c'est qu'une force agit sur lui. Et réciproquement : si aucune force n'agit (ou si elles se compensent exactement), le mouvement ne change pas. C'est le principe d'inertie, que la seconde reprendra en détail.
5. Exercices corrigés
Exercice 1 — Contact ou distance ? Classer : (a) un aimant qui attire un clou à $2\ \mathrm{cm}$ ; (b) une raquette qui frappe une balle ; (c) la Terre qui attire la Lune ; (d) le vent qui pousse un voilier.
À distance : (a) et (c). De contact : (b) et (d) — l'air touche la voile.
Exercice 2 — Diagramme objet-interactions. Un livre est posé sur une étagère. Faire l'inventaire des objets qui agissent sur lui et préciser le type d'interaction.
L'étagère (contact, elle le soutient) et la Terre (à distance, elle l'attire). Le diagramme comporte donc deux bulles reliées au livre : un trait plein vers l'étagère, un trait pointillé vers la Terre.
Exercice 3 — Décrire une force. Un enfant tire horizontalement une luge vers la droite avec une corde, en exerçant une force de $80\ \mathrm{N}$ appliquée au crochet. Donner les quatre caractéristiques de cette force.
Point d'application : le crochet de la luge. Direction : horizontale. Sens : vers la droite. Valeur : $80\ \mathrm{N}$.
Exercice 4 — Choisir une échelle. On veut représenter une force de $150\ \mathrm{N}$ par une flèche de $5\ \mathrm{cm}$. Quelle échelle faut-il choisir ?
$\frac{150}{5} = 30$
L'échelle est $1\ \mathrm{cm}$ pour $30\ \mathrm{N}$.
Exercice 5 — Lire un dessin. Avec l'échelle « $1\ \mathrm{cm}$ pour $25\ \mathrm{N}$ », quelle est la valeur d'une force dessinée par une flèche de $4{,}0\ \mathrm{cm}$ ?
$F = 4{,}0 \times 25 = 100\ \mathrm{N}$
Exercice 6 — Quel effet ? Indiquer l'effet (ou les effets) de la force dans chaque cas : (a) un footballeur tire au but ; (b) on comprime un ressort ; (c) un gardien dévie le ballon en corner.
(a) mise en mouvement (et déformation brève du ballon) ; (b) déformation ; (c) changement de direction.
Exercice 7 — Deux forces opposées. Sur le ballon posé sur la table, la Terre exerce une force verticale vers le bas de $4{,}5\ \mathrm{N}$, et la table une force verticale vers le haut de $4{,}5\ \mathrm{N}$. Que peut-on dire du mouvement du ballon ?
Les deux forces ont la même direction (verticale), des sens opposés et la même valeur : elles se compensent. Le ballon reste immobile, ce qui est bien ce qu'on observe.
L'essentiel du chapitre
- Deux objets en interaction : de contact s'ils se touchent, à distance sinon. Une interaction est toujours réciproque.
- Le diagramme objet-interactions met l'objet étudié au centre, trait plein pour un contact, pointillé pour une action à distance.
- Une force modélise une action et possède quatre caractéristiques : point d'application, direction, sens, valeur.
- On la dessine par un segment fléché, avec une échelle ; on la mesure au dynamomètre, en newtons.
- Une force peut mettre en mouvement, changer la direction ou déformer.
- Si les forces se compensent, le mouvement ne change pas.