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Séance 2 - Exemples d'actions mécaniques
Physique et Chimie - Tronc commun Sciences BIOF
📌 I- Notion d'actions mécaniques
Lorsqu'un corps agit sur un autre corps on parle d'une action mécanique.
Une action mécanique est toujours exercée par un objet (l'acteur) sur un autre objet (le receveur).
💡 Une action mécanique peut :
- Mettre en mouvement un objet
- Maintenir en équilibre un objet
- Déformer un objet
📌 II- Modélisation d'une action mécanique
Une action mécanique se modélise par un vecteur force noté F dont les caractéristiques sont les suivantes :
- Un point d'application
- Une direction appelée droite d'action
- Un sens
- Une valeur appelée intensité dont l'unité est le Newton (N)
📌 III- Classification des actions mécaniques
3-1/ Actions de contact
L'action mécanique de contact nécessite un contact entre le corps qui exerce et celui qui subit l'action.
📖 Action de contact localisée
L'action mécanique est dite de contact localisée si elle s'exerce sur une petite surface qu'on peut considérer comme un point.
Exemple : Le contact entre le fil et le corps S se fait en un point A.
📖 Action de contact répartie
L'action mécanique est dite de contact répartie si elle s'exerce sur la totalité d'une surface S.
Exemple : Le contact entre le livre et la table se fait sur la totalité d'une surface.
📌 Réaction du plan sur un corps
Cas de contact sans frottement : La direction de la réaction R est perpendiculaire à la surface de contact.
Cas de contact avec frottement : La direction de la réaction R est inclinée, on décompose R en deux forces :
- RN : composante normale (s'oppose à l'enfoncement)
- RT : composante tangentielle ou force de frottement f
\[ \vec{R} = \vec{R_N} + \vec{R_T} \quad \text{et} \quad R = \sqrt{R_N^2 + R_T^2} \]
\[ \text{Coefficient de frottement : } k = \tan \varphi = \frac{R_T}{R_N} \]
3-2/ Actions mécaniques à distance
L'action mécanique est dite à distance si elle s'exerce sans aucun contact entre le corps qui exerce l'action et celui qui la subit.
Exemples :
- Le poids du corps
- Les forces électriques
- Les forces magnétiques
3-3/ Forces extérieures et forces intérieures
📖 Forces extérieures
Ce sont toutes les forces exercées par l'extérieur sur le système.
📖 Forces intérieures
Ce sont toutes les forces exercées par une partie du système sur une autre partie du système.
📌 IV- La force pressante
4-1/ Définition
La force pressante est une force de poussée exercée lors du contact entre un solide ou un fluide (gaz ou liquide) et un autre corps.
Caractéristiques :
- Point d'application : centre de la surface de contact
- Direction : perpendiculaire à la surface de contact
- Sens : du liquide vers le corps (force de poussée)
- Intensité : dépend de la pression et de la surface
4-2/ Notion de pression
📖 Définition
La pression P est une grandeur macroscopique correspondant à la force pressante F appliquée sur une surface pressée S :
\[ P = \frac{F}{S} \]
Unité (SI) : Pascal (Pa) tel que 1 Pa = 1 N/m²
📌 Autres unités de pression
- 1 hPa = 10² Pa (hectopascal)
- 1 bar = 10⁵ Pa
- 1 atm = 101325 Pa (atmosphère)
- 76 cm Hg = 101325 Pa
4-3/ La pression atmosphérique
La pression de l'air qui nous entoure sur les corps en contact avec elle s'appelle la pression atmosphérique.
\[ P_{atm} = 1 \, atm = 101325 \, Pa \]
La pression atmosphérique diminue avec l'altitude.
4-4/ Mesure de la pression d'un gaz
- Manomètre : pour mesurer la pression d'un gaz
- Baromètre : pour mesurer la pression atmosphérique
✅ V- Exercices
📌 Exercice 1 : Classification des actions mécaniques
1) Compléter le tableau suivant :
| L'action mécanique | De contact | A distance | |
|---|---|---|---|
| Localisée | Répartie | ||
| Action du marteau sur le clou | |||
| Action du pied sur le ballon | |||
| Action de l'aimant sur la bille de fer | |||
| Action du vent sur le cerf-volant | |||
2) Dire si les propositions suivantes sont vraies ou fausses :
- L'unité légale de l'intensité d'une force est le kilogramme (kg)
- La valeur de l'intensité d'une force se mesure avec un dynamomètre
✅ Corrigé
| Action mécanique | Localisée | Répartie | A distance |
|---|---|---|---|
| Action du marteau sur le clou | ✓ | ||
| Action du pied sur le ballon | ✓ | ||
| Action de l'aimant sur la bille de fer | ✓ | ||
| Action du vent sur le cerf-volant | ✓ |
2) La première proposition est fausse (l'unité est le Newton N). La deuxième proposition est vraie.
📌 Exercice 2 : Pression et surface
On dispose d'un solide parallélépipède rectangle. On le pose sur une cuve contenant du sucre en poudre, sur sa face la plus petite puis sur sa face la plus grande.
1) Représenter le vecteur force pressante appliquée par le solide sur le sucre.
2) Sachant que le solide a une masse m = 3 kg, calculer dans chaque cas la pression exercée par le solide sur le sucre (g = 10 N/kg).
3) Que constatez-vous ?
✅ Corrigé
2) Poids : P = m × g = 3 × 10 = 30 N
La pression est inversement proportionnelle à la surface : plus la surface est grande, plus la pression est faible.
3) La pression dépend de la surface de contact.
📌 Exercice 3 : Pendule et forces magnétiques
Un pendule se compose d'une boule de fer de masse m = 0,5 kg accrochée à un fil. Lorsqu'on approche un aimant, le pendule dévie.
1) Faire l'inventaire des forces appliquées sur la boule.
2) Donner les caractéristiques du poids P, de la tension T (T = 4N) et de la force magnétique F (F = 3N).
3) Classifier les forces précédentes.
4) Pour le système {boule + aimant}, donner les forces intérieures et extérieures.
✅ Corrigé
1) Forces : Poids (P), Tension du fil (T), Force magnétique (F)
2) P = m × g = 0,5 × 10 = 5 N (verticale vers le bas)
3) P : force à distance ; T : force de contact localisée ; F : force à distance
4) Force intérieure : force magnétique (entre boule et aimant). Forces extérieures : poids et tension.
📌 Exercice 4 : Plan incliné et frottement
Un corps solide (S) se déplace le long d'une surface inclinée AB vers le bas avec une vitesse constante.
1) Faire l'inventaire des forces appliquées à (S).
2) Définir l'angle de frottement φ et calculer sa valeur (f = 0,2N, K = 0,8).
3) Calculer l'intensité de RN.
4) Déduire l'intensité R.
✅ Corrigé
2) tan φ = K = 0,8 ⇒ φ = 38,66°
3) RN = f / tan φ = 0,2 / 0,8 = 0,25 N
4) R = √(RN² + f²) = √(0,0625 + 0,04) = √0,1025 ≈ 0,32 N
📌 Exercice 5 : Pression et forces sur une porte
La pression de l'air à l'intérieur des salles d'opération est 10 Pa.
1) Faire l'inventaire des forces appliquées sur la porte (L = 210 cm, l = 95 cm).
2) Donner les caractéristiques des forces de pression.
3) Calculer la différence ΔF entre les intensités de ces forces.
4) Calculer la masse m d'un corps de poids égal à ΔF (g = 9,8 N/kg, Patm = 1 atm).
✅ Corrigé
1) Force de pression intérieure (sortante) et force de pression extérieure (entrante).
3) Surface S = 2,1 × 0,95 = 1,995 m²
ΔF = (Pint - Pext) × S
4) m = ΔF / g