Exetat · Physique

Lois de Newton et frottement

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Les lois de Newton relient les forces au mouvement : une force nette fait accélérer, et plus l'objet est lourd, moins il accélère. À l'Exetat on calcule une force de freinage, l'accélération d'un camion chargé, d'un objet sur un plan incliné ou d'une personne qui descend à la corde, et des coefficients de frottement.

L'essentiel

  • Première loi (principe d'inertie) : si les forces se compensent (somme nulle), l'objet reste au repos ou garde une vitesse constante en ligne droite. « À vitesse constante » veut donc dire : la force motrice est égale au frottement.
  • Deuxième loi (principe fondamental de la dynamique) : ΣF = m·a. La somme des forces (en newtons) est égale à la masse (en kg) fois l'accélération (en m/s²). À force égale, l'accélération est inversement proportionnelle à la masse : un camion chargé accélère moins qu'un camion vide.
  • Troisième loi (action et réaction) : si A pousse B, B pousse A avec une force de même intensité, de même direction et de sens opposé. Ces deux forces s'exercent sur deux objets différents.
  • Le poids vaut P = m·g (environ 10 N par kg sur Terre). Ne confonds pas masse (kg, ne change pas) et poids (N, dépend de g).
  • Frottement de glissement : f = μ·N, où N est la réaction normale (la force perpendiculaire avec laquelle le support pousse l'objet) et μ le coefficient de frottement, sans unité, en général inférieur à 1. Sur un sol horizontal sans autre force verticale, N = P.
  • Plan incliné d'angle α : le poids se décompose en m·g·sin α le long de la pente (il fait glisser) et m·g·cos α perpendiculairement (il plaque sur le plan). Sans frottement, a = g·sin α ; avec sin α = hauteur/longueur du plan.
  • Corde ou câble : écris ΣF = m·a dans le sens du mouvement. Pour une personne qui descend en accélérant : m·g − T = m·a, donc la tension T = m(g − a) est plus petite que le poids. Si la corde casse au-delà de T(max), il faut T = m(g − a) ≤ T(max), soit a ≥ g − T(max)/m : c'est l'accélération MINIMALE pour descendre sans casser la corde.

Les formules

Deuxième loi de Newton
ΣF = m·a
F en N, m en kg, a en m/s²
Poids
P = m·g
g ≈ 9,8 ou 10 N/kg
Frottement de glissement
f = μ·N, donc μ = f/N
sol horizontal : N = P
Plan incliné sans frottement
a = g·sin α, avec sin α = h/L
h : hauteur, L : longueur du plan
Plan incliné avec frottement
a = g·(sin α − μ·cos α)
objet qui descend en glissant
Descente à la corde
m·g − T = m·a, soit a = g − T/m
T : tension de la corde

La méthode

  1. 1Choisis l'objet étudié et fais la liste de toutes les forces qui s'exercent sur lui : poids, réaction du support, force motrice, frottement, tension.
  2. 2Choisis un axe dans le sens du mouvement. Les forces dans ce sens comptent en plus, les forces opposées en moins.
  3. 3Si l'accélération n'est pas donnée, calcule-la avec la cinématique (souvent a = v²/(2d) ou a = Δv/Δt), en m et m/s.
  4. 4Écris ΣF = m·a et isole l'inconnue. Si la même force motrice sert pour deux masses, calcule d'abord F = m₁·a₁, puis a₂ = F/m₂ avec la masse TOTALE.
  5. 5Contrôle : une accélération sur un plan incliné ne dépasse jamais g ; un coefficient de frottement est en général inférieur à 1 ; un objet plus lourd accélère moins.

Un exemple résolu

Une voiture de 1,2 tonne, partant du repos, atteint 72 km/h en 100 m d'un mouvement rectiligne uniformément accéléré. En négligeant les frottements, quelle est la force motrice ?

  1. 1.Conversions : m = 1,2 t = 1 200 kg ; v = 72 ÷ 3,6 = 20 m/s.
  2. 2.Pas de durée donnée : on prend v² − v₀² = 2·a·d avec v₀ = 0.
  3. 3.a = v²/(2d) = 20²/(2 × 100) = 400/200 = 2 m/s².
  4. 4.Deuxième loi de Newton : F = m·a = 1 200 × 2 = 2 400 N.

Réponse : La force motrice vaut 2 400 N.

Les pièges à éviter

  • Confondre la force cherchée avec le poids (m·g) : sur une route horizontale, le poids ne freine ni ne propulse la voiture.
  • Diviser la force motrice par la masse de la charge seule : le moteur accélère le véhicule ET sa charge, prends la masse totale. Et si on demande la charge, ne réponds pas la masse totale.
  • Prendre cos α au lieu de sin α sur un plan incliné. Contrôle : à 0° (sol plat) l'accélération doit être nulle, et sin 0° = 0.
  • Inverser le rapport du coefficient de frottement : μ = frottement ÷ réaction normale, pas l'inverse (un résultat supérieur à 1 doit t'alerter).
  • Dans un problème de corde, additionner T/m à g au lieu de le soustraire : l'accélération vers le bas ne peut pas dépasser g.

À retenir

ΣF = m·a : fais la liste des forces, projette-les sur le sens du mouvement, et souviens-toi que le frottement vaut μ fois la réaction normale.

Les outils utiles