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Forces et dynamique translationnelle

AP Physique 1 · Sujet 2

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10:50

Force et dynamique translationnelle

Trois sauteurs en parachute, très haut au-dessus du sol. La gravité tire chacun d'eux vers le bas avec force. Pourtant ils restent suspendus, stables, côte à côte. Alors pourquoi cet attrait s'est-il arrêté…

Narration en anglais · Sous-titres anglais + 中文 incrustés

2.1

Systèmes et Centre de Masse

Programme

Objectif d'apprentissage 2.1.A : Décrire les propriétés et les interactions d'un système.

  • 2.1.A.1 Les propriétés du système sont déterminées par les interactions entre les objets à l'intérieur du système.
  • 2.1.A.2 Si les propriétés ou les interactions des objets constitutifs à l'intérieur d'un système ne sont pas importantes pour modéliser le comportement macroscopique du système, le système lui-même peut être traité comme un objet unique.
  • 2.1.A.3 Les systèmes peuvent permettre des interactions entre les parties constitutives du système et l'environnement, ce qui peut entraîner un transfert d'énergie ou de masse.
  • 2.1.A.4 Les objets individuels à l'intérieur d'un système choisi peuvent se comporter différemment les uns des autres ainsi que du système dans son ensemble.
  • 2.1.A.5 La structure interne d'un système affecte l'analyse de ce système.
  • 2.1.A.6 Lorsque des variables externes à un système changent, la sous-structure du système peut changer.

Objectif d'apprentissage 2.1.B : Décrire l'emplacement du centre de masse d'un système par rapport aux objets qui le constituent.

  • 2.1.B.1 Pour les systèmes présentant des distributions de masse symétriques, le centre de masse est situé sur les axes de symétrie.
  • 2.1.B.2 L'emplacement du centre de masse d'un système le long d'un axe donné peut être calculé à l'aide de l'équation
    • Équation : $\vec{x}_{cm} = \dfrac{\sum m_i \vec{x}_i}{\sum m_i}$
  • 2.1.B.3 Un système peut être modélisé comme un objet unique situé au centre de masse du système.

Énoncé de limite : AP Physics 1 s'attend uniquement à ce que les étudiants calculent le centre de masse pour des systèmes de cinq particules ou moins disposées en configuration bidimensionnelle ou pour des systèmes hautement symétriques.

Source : Description du cours et de l'examen AP College Board

Un système 系统 est l'objet ou le groupe d'objets que vous choisissez d'analyser. Un système peut être traité comme un point unique à son centre de masse 质心 – la position moyenne de sa masse. Les forces externes changent le mouvement du centre de masse ; les forces internes (entre les parties du système) ne le font pas.

C'est pourquoi une clé tournant sur une table a encore son centre de masse qui se déplace en ligne droite : la rotation est interne, et seule la (quasi-nulle) force externe importe pour le centre de masse. Pour deux masses $m_1,m_2$ sur une ligne aux positions $x_1,x_2$, le centre de masse se situe à $x_{\text{cm}}=\dfrac{m_1x_1+m_2x_2}{m_1+m_2}$ – toujours plus proche de la masse la plus lourde.

2.2

Forces et Schémas Corporaux Libres

Programme

Objectif d'apprentissage 2.2.A : Décrire une force comme une interaction entre deux objets ou systèmes.

  • 2.2.A.1 Les forces sont des grandeurs vectorielles qui décrivent les interactions entre des objets ou des systèmes.
    • 2.2.A.1.i Une force exercée sur un objet ou un système est toujours due à l'interaction de cet objet avec un autre objet ou système.
    • 2.2.A.1.ii Un objet ou un système ne peut pas exercer de force nette sur lui-même.
  • 2.2.A.2 Les forces de contact décrivent l'interaction d'un objet ou d'un système touchant un autre objet ou système et sont des effets macroscopiques de forces électriques interatomiques.

Objectif d'apprentissage 2.2.B : Décrire les forces exercées sur un objet ou un système à l'aide d'un diagramme de corps libre.

  • 2.2.B.1 Les diagrammes de corps libre sont des outils utiles pour visualiser les forces exercées sur un objet ou un système unique et pour déterminer les équations qui représentent une situation physique.
  • 2.2.B.2 Le diagramme de corps libre d'un objet ou d'un système montre chacune des forces exercées sur l'objet par l'environnement.
  • 2.2.B.3 Les forces exercées sur un objet ou un système sont représentées par des vecteurs partant de la représentation du centre de masse, tel qu'un point. Un système est traité comme si toute sa masse était située au centre de masse.
  • 2.2.B.4 Un système de coordonnées avec un axe parallèle à la direction de l'accélération de l'objet ou du système simplifie la traduction du diagramme de corps libre en représentation algébrique. Par exemple, dans un diagramme de corps libre d'un objet sur un plan incliné, il est utile de placer un axe parallèle à la surface de l'inclinaison.

Énoncé de limite : AP Physics 1 s'attend uniquement à ce que les étudiants représentent les forces exercées sur les objets, et non les composantes de force sur les diagrammes de corps libre. Lors des examens AP Physics, les forces individuelles représentées sur un diagramme de corps libre doivent être dessinées comme des flèches droites individuelles, partant du point et pointant dans la direction de la force. Les forces individuelles dans la même direction doivent être dessinées côte à côte, sans se chevaucher.

Source : Description du cours et de l'examen AP College Board

Un parachutiste : les schémas corporaux libres équilibrent la gravité et la résistance de l'air à la vitesse terminale
Un parachutiste : les schémas corporaux libres équilibrent la gravité et la résistance de l'air à la vitesse terminale
Un lancement de fusée : la force nette modifie la quantité de mouvement — F_net = ma pour la dynamique translationnelle
Un lance de fusée : la force nette change la quantité de mouvement — F_net = ma pour la dynamique de translation

Une travail 力 est une poussée ou une traction – un vecteur, mesuré en newtons (N). Un schéma corporel libre 受力图 montre un objet comme un point avec des flèches pour chaque force agissant sur lui (poids 重力, normale, tension 张力, frottement, appliquée), chacune étiquetée et pointant dans la bonne direction. Le dessiner avant tout problème de dynamique ; c'est là que la plupart des points sont gagnés ou perdus.

Un diagramme de corps libre montre chaque force agissant sur un objet
Un schéma corporel libre montre toutes les forces agissant sur un objet

Deux règles gardent les schémas corporaux libres honnêtes : ne dessiner que les forces agissant sur l'objet choisi (pas les forces qu'il exerce sur d'autres choses), et ne dessiner que des forces réelles et physiques (une corde, une surface, la gravité, une main) – jamais une flèche « $ma$ », qui est le résultat des forces, pas une force elle-même.

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Équilibrer les forces sur un diagramme corps libre

Un diagramme corps libre représente chaque force agissant sur un objet par une flèche. L'objet n'accélère que si les forces ne s'annulent pas — la force nette détermine $a=F/m$.

Vocabulaire Entrainer
Anglais Chinois Pinyin
system/ˈsɪstəm/ 系统 xì tǒng
center of mass/ˈsentə ɒv mæs/ 质心 zhì xīn
force/fɔːs/ 力 lì
free-body diagram/friː ˈbɒdi ˈdaɪəɡræm/ 受力图 shòu lì tú
Newton's third law/ˈnjuːtnz θɜːd lɔː/ 牛顿第三定律 niú dùn dì sān dìng lǜ
Newton's first law/ˈnjuːtnz fɜːst lɔː/ 牛顿第一定律 niú dùn dì yí dìng lǜ
inertia/ɪˈnɜːʃə/ 惯性 guàn xìng
net force/net fɔːs/ 合力 hé lì
translational equilibrium/trænˈsleɪʃənl ˌiːkwɪˈlɪbrɪəm/ 平衡 píng héng
Newton's second law/ˈnjuːtnz ˈsekənd lɔː/ 牛顿第二定律 niú dùn dì èr dìng lǜ
gravitational field strength/ˌɡrævɪˈteɪʃənl fiːld streŋθ/ 重力场强度 zhòng lì chǎng qiáng dù
Newton's law of gravitation/ˈnjuːtnz lɔː ɒv ˌɡrævɪˈteɪʃn/ 万有引力定律 wàn yǒu yǐn lì dìng lǜ
Inertial mass/ɪˈnɜːʃl mæs/ 惯性质量 guàn xìng zhì liàng
gravitational mass/ˌɡrævɪˈteɪʃənl mæs/ 引力质量 yǐn lì zhì liàng
tension/ˈtenʃn/ 张力 zhāng lì
incline/ɪnˈklaɪn/ 斜面 xié miàn
2.3

Troisième Loi de Newton

Programme

Objectif d'apprentissage 2.3.A : Décrire l'interaction de deux objets à l'aide de la troisième loi de Newton et d'une représentation des forces jumelles exercées sur chaque objet.

  • 2.3.A.1 La troisième loi de Newton décrit l'interaction de deux objets en termes des forces jumelles que chacun exerce sur l'autre.
    • Équation : $\vec{F}_{\text{A on B}} = -\vec{F}_{\text{B on A}}$
  • 2.3.A.2 Les interactions entre les objets à l'intérieur d'un système (forces internes) n'influencent pas le mouvement du centre de masse d'un système.
  • 2.3.A.3 La tension est le résultat net macroscopique des forces que les segments d'une corde, d'un câble, d'une chaîne ou d'un système similaire exercent les uns sur les autres en réponse à une force externe.
    • 2.3.A.3.i Une corde idéale a une masse négligeable et ne s'étire pas lorsqu'elle est tendue.
    • 2.3.A.3.ii La tension dans une corde idéale est la même en tous points au sein de la corde.
    • 2.3.A.3.iii Dans une corde dont la masse n'est pas négligeable, la tension peut ne pas être la même en tous points au sein de la corde.
    • 2.3.A.3.iv Une poulie idéale est une poulie ayant une masse négligeable et tournant autour d'un axe passant par son centre de masse avec un frottement négligeable.

Énoncé de périmètre : AP Physics 1 attend seulement des étudiants qu'ils décrivent la tension qualitativement dans une corde, un câble, une chaîne ou un système similaire ayant une masse. Par exemple, les étudiants peuvent noter que la tension dans une chaîne suspendue est plus grande vers le haut de la chaîne.

Énoncé de périmètre : L'interaction entre objets ou systèmes à distance est limitée aux forces gravitationnelles en AP Physics 1. En AP Physics 2, les forces gravitationnelles, électriques et magnétiques peuvent être considérées.

Source : Description du cours et de l'examen AP College Board

Troisième loi de Newton 牛顿第三定律 : si l'objet A pousse sur l'objet B, alors B repousse A avec une force égale en grandeur et opposée en direction. Ces deux forces agissent sur des objets différents, donc elles ne s'annulent jamais. Identifier les paires de troisième loi par la formulation « A sur B / B sur A ».

Une paire de la troisième loi de Newton : forces égales et opposées agissant sur deux objets différents
Une paire de la troisième loi de Newton : forces égales et opposées sur deux objets différents

Un piège classique : le poids d'un livre et la force normale de la table ne sont pas une paire de la troisième loi – ils agissent sur le même objet (le livre). L'associé du poids du livre est la traction que le livre exerce sur la Terre ; l'associé de la poussée de la table est la poussée que le livre fait sur la table.

2.4

Première Loi de Newton

Programme

Objectif d'apprentissage 2.4.A : Décrire les conditions sous lesquelles la vitesse d'un système reste constante.

  • 2.4.A.1 La force nette sur un système est la somme vectorielle de toutes les forces exercées sur le système.
  • 2.4.A.2 L'équilibre translationnel est une configuration de forces telle que la force nette exercée sur un système est nulle.
    • Équation dérivée : $\sum_i \vec{F}_i = 0$
  • 2.4.A.3 La première loi de Newton stipule que si la force nette exercée sur un système est nulle, la vitesse de ce système restera constante.
  • 2.4.A.4 Les forces peuvent être équilibrées dans une dimension mais déséquilibrées dans une autre. La vitesse du système ne changera que dans la direction de la force déséquilibrée.
  • 2.4.A.5 Un référentiel inertiel est celui depuis lequel un observateur vérifierait la première loi du mouvement de Newton.

Source : Description du cours et de l'examen AP College Board

Première loi de Newton 牛顿第一定律 (la loi de l'inertie 惯性) : la vitesse d'un objet reste constante sauf si une force nette 合力 agit sur elle. Donc une force nette nulle signifie une vitesse constante (y compris le repos) – l'objet est en équilibre de translation 平衡. L'inertie est la tendance à résister aux changements de mouvement, mesurée par la masse.

Exemple résolu. Une voiture de $1200\ \text{kg}$ roule à vitesse constante $25\ \text{m/s}$ sur une route plate. Quelle est la force nette agissant dessus ? Comme la vitesse est constante, l'accélération est zéro, donc par la première loi, la force nette est zéro – la force motrice avant équilibre exactement la traînée et les frottements. « Vitesse constante » signifie toujours des forces équilibrées.

2.5

Deuxième Loi de Newton

Programme

Objectif d'apprentissage 2.5.A : Décrire les conditions sous lesquelles la vitesse d'un système change.

  • 2.5.A.1 Les forces déséquilibrées sont une configuration de forces telle que la force nette exercée sur un système n'est pas égale à zéro.
  • 2.5.A.2 La deuxième loi du mouvement de Newton stipule que l'accélération du centre de masse d'un système a une grandeur proportionnelle à la grandeur de la force nette exercée sur le système et est dans la même direction que cette force nette.
    • Équation : $\vec{a}_{\text{sys}} = \dfrac{\sum \vec{F}}{m_{\text{sys}}} = \dfrac{\vec{F}_{\text{net}}}{m_{\text{sys}}}$
  • 2.5.A.3 La vitesse du centre de masse d'un système ne changera que si une force externe nette non nulle est exercée sur ce système.

Source : Description du cours et de l'examen AP College Board

Deuxième loi de Newton 牛顿第二定律 relie la force nette à l'accélération :

$$\vec{a}=\frac{\sum \vec{F}}{m},\qquad\text{i.e.}\qquad \sum\vec{F}=m\vec{a}.$$
L'appliquer un axe à la fois : additionner les composantes de force le long de chaque axe et égaliser la somme à $ma$ pour cet axe. L'accélération pointe dans la même direction que la force nette.

Exemple résolu. Une boîte de $4.0\ \text{kg}$ est tirée sur le sol par une force horizontale de $18\ \text{N}$. Le frottement sur la boîte est $6.0\ \text{N}$. Trouver son accélération. Dans la direction du mouvement, la force nette est $18-6.0=12\ \text{N}$, donc

$$a=\frac{\sum F}{m}=\frac{12}{4.0}=3.0\ \text{m/s}^2.$$

Exemple résolu (plan incliné 斜面). Un bloc de masse $m$ glisse sur une rampe sans frottement inclinée à un angle $\theta$. Trouver son accélération. Résoudre la gravité en composantes parallèle et perpendiculaire à la rampe ; seule la partie parallèle à la rampe, $mg\sin\theta$, entraîne le mouvement, donc

$$a=\frac{mg\sin\theta}{m}=g\sin\theta.$$
Plus la rampe est raide, plus $\sin\theta$ est grande et plus elle accélère rapidement ; à $\theta=90^{\circ}$, c'est une chute libre.

2.6

Force Gravitationnelle

Programme

Objectif d'apprentissage 2.6.A : Décrire l'interaction gravitationnelle entre deux objets ou systèmes ayant une masse.

  • 2.6.A.1 La loi de la gravitation universelle de Newton décrit la force gravitationnelle entre deux objets ou systèmes comme étant directement proportionnelle à chacune de leurs masses et inversement proportionnelle au carré de la distance entre les centres de masse des systèmes.
    • Équation : $\left|\vec{F}_g\right| = G\dfrac{m_1 m_2}{r^2}$
    • 2.6.A.1.i La force gravitationnelle est attractive.
    • 2.6.A.1.ii La force gravitationnelle est toujours exercée le long de la ligne reliant les centres de masse des deux systèmes interagissants.
    • 2.6.A.1.iii La force gravitationnelle sur un système peut être considérée comme étant exercée sur le centre de masse du système.
  • 2.6.A.2 Un champ modélise les effets d'une force sans contact exercée sur un objet à divers positions dans l'espace.
    • 2.6.A.2.i La grandeur du champ gravitationnel créé par un système de masse $M$ à un point dans l'espace est égale au rapport de la force gravitationnelle exercée par le système sur un objet test de masse $m$ à la masse de l'objet test.
      • Équation: $\left|\vec{g}\right| = \dfrac{\left|\vec{F}_g\right|}{m} = G\dfrac{M}{r^2}$
    • 2.6.A.2.ii Si la force gravitationnelle est la seule force exercée sur un objet, l'accélération observée de l'objet (en m/s$^2$) est numériquement égale à la grandeur de l'intensité du champ gravitationnel (en N/kg) à cet endroit.
  • 2.6.A.3 La force gravitationnelle exercée par un corps astronomique sur un objet proche relativement petit est appelée poids.
    • Équation : $\text{Weight} = F_g = mg$

Objectif d'apprentissage 2.6.B : Décrire les situations où la force gravitationnelle peut être considérée comme constante.

  • 2.6.B.1 Si la force gravitationnelle entre les centres de masse de deux systèmes subit un changement négligeable alors que la position relative des deux systèmes change, la force gravitationnelle peut être considérée comme constante à tous les points entre les positions initiale et finale des systèmes.
  • 2.6.B.2 Près de la surface de la Terre, l'intensité du champ gravitationnel est $g \approx 10 \text{ N/kg}$

Objectif d'apprentissage 2.6.C : Décrire les conditions sous lesquelles la grandeur du poids apparent d'un système est différente de la grandeur de la force gravitationnelle exercée sur ce système.

  • 2.6.C.1 La grandeur du poids apparent d'un système est la grandeur de la force normale exercée sur le système.
  • 2.6.C.2 Si le système accélère, le poids apparent du système n'est pas égal à la grandeur de la force gravitationnelle exercée sur le système.
  • 2.6.C.3 Un système semble en apesanteur lorsqu'il n'y a aucune force exercée sur le système ou lorsque la gravité est la seule force exercée sur le système.
  • 2.6.C.4 Le principe d'équivalence stipule qu'un observateur dans un référentiel non inertiel ne peut pas distinguer entre le poids apparent d'un objet et la force gravitationnelle exercée sur l'objet par un champ gravitationnel.

Objectif d'apprentissage 2.6.D : Décrire la masse inertielle et la masse gravitationnelle.

  • 2.6.D.1 Les objets ont une masse inertielle, ou inertie, une propriété qui détermine dans quelle mesure le mouvement d'un objet résiste aux changements lors d'interactions avec un autre objet.
  • 2.6.D.2 La masse gravitationnelle est liée à la force d'attraction entre deux systèmes ayant une masse.
  • 2.6.D.3 La masse inertielle et la masse gravitationnelle ont été vérifiées expérimentalement pour être équivalentes.

Source : Description du cours et de l'examen AP College Board

Mouvement orbital (loi de Kepler 2)

Près de la surface d'une planète, la force gravitationnelle (poids) est $F_g=mg$, dirigée vers le bas, où $g$ est la champ de gravité 重力场强度. Plus généralement, la loi de gravitation universelle de Newton 万有引力定律 donne l'attraction entre deux masses quelconques :

$$F_g=\frac{G m_1 m_2}{r^2},$$
dirigée le long de la ligne les reliant, plus faible quand la distance $r$ augmente (loi inverse carrée). Doubler la séparation réduit la force au quart.

Deux masses s'attirent mutuellement avec des forces égales, opposées et en carré inverse le long de la ligne les reliant
Deux masses s'attirent mutuellement avec des forces égales, opposées, en loi inverse carrée le long de la ligne les reliant

Exemple résolu. Un objet de $2.0\ \text{kg}$ pèse $19.6\ \text{N}$ sur Terre ($g=9.8\ \text{m/s}^2$). Sur la Lune $g_{\text{Moon}}=1.6\ \text{m/s}^2$. Sa masse est inchangée ($2.0\ \text{kg}$), mais son poids devient $F_g=mg=2.0\times1.6=3.2\ \text{N}$. La masse mesure l'inertie ; le poids est une force qui dépend de l'endroit où vous êtes.

La masse joue en réalité deux rôles distincts. La masse inertielle 惯性质量 fixe à quel point un objet résiste à l'accélération ($F=ma$) ; la masse gravitationnelle 引力质量 fixe à quel point il attire d'autres masses ($F=Gm_1m_2/r^2$). Les expériences confirment que les deux sont égales – ce qui explique exactement pourquoi chaque objet, lourd ou léger, tombe avec la même $g$.

2.7

Frottement Cinétique et Statique

Programme

Objectif d'apprentissage 2.7.A : Décrire le frottement cinétique entre deux surfaces

  • 2.7.A.1 Le frottement cinétique se produit lorsque deux surfaces en contact bougent l'une par rapport à l'autre.
    • 2.7.A.1.i La force de frottement cinétique est exercée dans une direction opposée au mouvement de chaque surface par rapport à l'autre surface.
    • 2.7.A.1.ii La force de frottement entre deux surfaces ne dépend pas de la taille de la surface de contact.
  • 2.7.A.2 La grandeur de la force de frottement cinétique exercée sur un objet est le produit de la force normale que la surface exerce sur l'objet et du coefficient de frottement cinétique.
    • Équation : $\left|\vec{F}_{f,k}\right| = \left|\mu_k \vec{F}_n\right|$
    • 2.7.A.2.i Le coefficient de frottement cinétique dépend des propriétés matérielles des surfaces qui sont en contact.
    • 2.7.A.2.ii La force normale est la composante perpendiculaire de la force exercée sur un objet par la surface avec laquelle il est en contact ; elle est dirigée vers l'extérieur de la surface.

Objectif d'apprentissage 2.7.B : Décrire le frottement statique entre deux surfaces.

  • 2.7.B.1 Le frottement statique peut se produire entre les surfaces de contact de deux objets qui ne bougent pas l'un par rapport à l'autre.
  • 2.7.B.2 Le frottement statique adopte la valeur et la direction nécessaires pour empêcher un objet de glisser ou de coulisser sur une surface.
    • Équation : $\left|\vec{F}_{f,s}\right| \leq \left|\mu_s \vec{F}_n\right|$
    • 2.7.B.2.i Glisser et coulisser font référence à des situations où deux surfaces bougent l'une par rapport à l'autre.
    • 2.7.B.2.ii Il existe une valeur maximale pour laquelle le frottement statique empêchera un objet de glisser sur une surface donnée.
      • Équation: $F_{f,s,\max} = \mu_s F_n$
  • 2.7.B.3 Le coefficient de frottement statique est généralement supérieur au coefficient de frottement cinétique pour une paire de surfaces donnée.

Source : Description du cours et de l'examen AP College Board

Frottement 摩擦力 agit le long d'une surface, s'opposant au glissement relatif (ou à la tendance à glisser) :

  • Frottement cinétique 动摩擦 (en glissant) : $f_k=\mu_k N$.
  • Frottement statique 静摩擦 (avant de glisser) : $f_s\le \mu_s N$ – il s'ajuste jusqu'à un maximum pour empêcher le mouvement.

Ici $N$ est la force normale 法向力 (poussée de la surface, perpendiculaire à la surface) et $\mu$ est le coefficient de frottement 摩擦系数.

Exemple résolu. Une caisse de $5.0\ \text{kg}$ repose sur un plancher horizontal avec $\mu_s=0.40$. Un coup horizontal de $15\ \text{N}$ la déplacera-t-il ? Sur un plancher horizontal $N=mg=5.0\times9.8=49\ \text{N}$, donc la plus grande friction statique est $f_{s,\max}=\mu_s N=0.40\times49=19.6\ \text{N}$. La poussée $15\ \text{N}$ est inférieure à $19.6\ \text{N}$, la friction augmente pour l'égaliser et la caisse reste immobile.

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Faire glisser un bloc sur une pente avec frottement

Le frottement s'oppose au mouvement jusqu'à un maximum $\mu N$. Inclinez la pente jusqu'à ce que la composante de la gravité le long de celle-ci vainque le frottement statique et que le bloc commence à glisser.

Vocabulaire Entrainer
Anglais Chinois Pinyin
Friction/ˈfrɪkʃn/ 摩擦力 mó cā lì
Kinetic friction/kɪˈnetɪk ˈfrɪkʃn/ 动摩擦 dòng mó cā
Static friction/ˈstætɪk ˈfrɪkʃn/ 静摩擦 jìng mó cā
normal force/ˈnɔːml fɔːs/ 法向力 fǎ xiàng lì
coefficient of friction/ˌkəʊɪˈfɪʃənt ɒv ˈfrɪkʃn/ 摩擦系数 mó cā xì shù
restoring force/rɪˈstɔːrɪŋ fɔːs/ 回复力 huí fù lì
Hooke's law/hʊks lɔː/ 胡克定律 hú kè dìng lǜ
spring constant/sprɪŋ ˈkɒnstənt/ 弹簧常数 tán huáng cháng shù
centripetal acceleration/senˈtrɪpɪtl əkˌseləˈreɪʃn/ 向心加速度 xiàng xīn jiā sù dù
net inward (centripetal) force/net ˈɪnwəd fɔːs/ 向心力 xiàng xīn lì
period/ˈpɪərɪəd/ 周期 zhōu qī
frequency/ˈfriːkwənsi/ 频率 pín lǜ
weight/weɪt/ 重力 zhòng lì
2.8

Forces de ressort

Programme

Objectif d'apprentissage 2.8.A : Décrire la force exercée sur un objet par un ressort idéal

  • 2.8.A.1 Un ressort idéal a une masse négligeable et exerce une force proportionnelle au changement de sa longueur mesurée par rapport à sa longueur détendue.
  • 2.8.A.2 La grandeur de la force exercée par un ressort idéal sur un objet est donnée par la loi de Hooke :
    • Équation : $\vec{F}_s = -k\Delta\vec{x}$
  • 2.8.A.3 La force exercée sur un objet par un ressort est toujours dirigée vers la position d'équilibre du système objet-ressort.

Source : Description du cours et de l'examen AP College Board

Loi de Hooke & limite élastique

Un ressort idéal exerce une force de rappel 回复力 proportionnelle à son étirement ou sa compression – la loi de Hooke 胡克定律 :

$$F_s=-kx,$$
où $k$ est la constante de raideur 弹簧常数 (raideur) et $x$ est le déplacement par rapport à la longueur naturelle du ressort. Le signe moins indique que la force pointe vers l'équilibre.

Loi de Hooke : l'allongement est proportionnel à la charge jusqu'à la limite de proportionnalité
Loi de Hooke : l'allongement est proportionnel à la charge jusqu'à la limite de proportionnalité

Exemple résolu. Un ressort de $k=200\ \text{N/m}$ est suspendu verticalement et une masse de $0.50\ \text{kg}$ y est accrochée. De combien s'étire-t-il au repos ? Au repos, la force du ressort équilibre le poids, $kx=mg$, donc

$$x=\frac{mg}{k}=\frac{0.50\times9.8}{200}=0.025\ \text{m}=2.5\ \text{cm}.$$

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Étirer un ressort (loi de Hooke)

La force d'un ressort est proportionnelle à son allongement, $F=kx$ (loi de Hooke. Plus on tire fort, plus l'allongement augmente proportionnellement — jusqu'à la limite du ressort.

2.9

Mouvement circulaire

Programme

Objectif d'apprentissage 2.9.A : Décrire le mouvement d'un objet se déplaçant sur une trajectoire circulaire.

  • 2.9.A.1 L'accélération centripète est la composante de l'accélération d'un objet dirigée vers le centre de la trajectoire circulaire de l'objet.
    • 2.9.A.1.i La grandeur de l'accélération centripète pour un objet se déplaçant sur une trajectoire circulaire est le rapport du carré de la vitesse tangentielle de l'objet au rayon de la trajectoire circulaire.
      • Équation: $a_c = \dfrac{v^2}{r}$
    • 2.9.A.1.ii L'accélération centripète est dirigée vers le centre de la trajectoire circulaire d'un objet.
  • 2.9.A.2 L'accélération centripète peut résulter d'une seule force, de plusieurs forces, ou de composantes de forces exercées sur un objet en mouvement circulaire.
    • 2.9.A.2.i Au sommet d'une boucle circulaire verticale, un objet nécessite une vitesse minimale pour maintenir le mouvement circulaire. À ce moment-là, et avec cette vitesse minimale, la force gravitationnelle est la seule force qui provoque l'accélération centripète.
      • Équation: $v = \sqrt{gr}$
    • 2.9.A.2.ii Les composantes de la force de frottement statique et de la force normale peuvent contribuer à la force nette produisant l'accélération centripète d'un objet se déplaçant sur une surface inclinée.
    • 2.9.A.2.iii Une composante de la tension contribue à la force nette produisant l'accélération centripète ressentie par un pendule conique.
  • 2.9.A.3 L'accélération tangentielle est le taux de changement de la vitesse d'un objet et est dirigée tangentiellement à la trajectoire circulaire de l'objet.
  • 2.9.A.4 L'accélération nette d'un objet se déplaçant sur un cercle est la somme vectorielle de l'accélération centripète et de l'accélération tangentielle.
  • 2.9.A.5 La révolution d'un objet se déplaçant sur une trajectoire circulaire à vitesse constante (mouvement circulaire uniforme) peut être décrite à l'aide de la période et de la fréquence.
    • 2.9.A.5.i Le temps nécessaire pour accomplir un tour complet de trajectoire circulaire, une rotation complète ou un cycle complet de mouvement oscillatoire est défini comme la période, $T$.
    • 2.9.A.5.ii Le taux auquel un objet accomplit des révolutions est défini comme la fréquence, $f$.
      • Équation: $T = \dfrac{1}{f}$
    • 2.9.A.5.iii Pour un objet se déplaçant à vitesse constante sur une trajectoire circulaire, la période est donnée par l'équation dérivée
      • Équation: $T = \dfrac{2\pi r}{v}$

Objectif d'apprentissage 2.9.B : Décrire les orbites circulaires en utilisant la troisième loi de Kepler.

  • 2.9.B.1 Pour un satellite en orbite circulaire autour d'un corps central, l'accélération centripète du satellite est causée uniquement par l'attraction gravitationnelle. La période et le rayon de l'orbite circulaire sont liés à la masse du corps central.
    • Équation : $T^2 = \dfrac{4\pi^2}{GM} R^3$

Énoncé de limite : AP Physics 1 s'attend uniquement à ce que les étudiants analysent quantitativement les courbes inclinées pour lesquelles aucun frottement n'est requis pour maintenir un mouvement circulaire uniforme. L'analyse des situations nécessitant un frottement sur une courbe inclinée se limite aux descriptions qualitatives.

Énoncé de limite : AP Physics 1 ne s'attend pas à ce que les étudiants connaissent la première ou la deuxième loi de Kepler du mouvement planétaire.

Source : Description du cours et de l'examen AP College Board

Mouvement circulaire uniforme

Un objet se déplaçant en cercle à vitesse constante accélère tout de même, car la direction de sa vitesse change continuellement. Cette accélération centripète 向心加速度 pointe vers le centre :

$$a_c=\frac{v^2}{r}.$$
Elle est produite par une force nette vers l'intérieur (centripète) 向心力 $F_c=\dfrac{mv^2}{r}$ – fournie par n'importe quelle force réelle pointant vers l'intérieur (tension, gravité, friction, normale). Le temps pour un tour complet est la période 周期 $T$, et le nombre de tours par seconde est la fréquence 频率 $f$ ; ce sont des réciproques, $f = 1/T$, et les mêmes définitions s'appliquent à toute rotation ou oscillation. Il n'y a pas de force extérieure séparée ; « centrifuge » n'est qu'un effet apparent.

La vitesse est tangentielle ; la force centripète et l'accélération pointent vers le centre
La vitesse est tangente ; la force et l'accélération centripètes pointent vers le centre

Exemple résolu. Une balle de $0.30\ \text{kg}$ attachée à une corde est agitée en cercle horizontal de rayon $0.80\ \text{m}$ à $4.0\ \text{m/s}$. Trouver la tension dans la corde. La tension fournit toute la force centripète :

$$T=\frac{mv^2}{r}=\frac{0.30\times4.0^2}{0.80}=6.0\ \text{N}.$$
Si la corde peut supporter au maximum $6.0\ \text{N}$, c'est la vitesse maximale que la balle peut atteindre à ce rayon – tourner plus vite et la corde se cassera.

2.9

Conseils d'examen

  • Tirez toujours un diagramme de corps libre d'abord : seulement les forces réelles sur l'objet choisi (poids, normale, tension, friction, appliquée) — jamais une flèche « $ma$ ».
  • Appliquez $\sum F = ma$ un axe à la fois ; sur un plan incliné, décomposez la gravité en $mg\sin\theta$ (parallèle) et $mg\cos\theta$ (perpendiculaire).
  • Une paire de la troisième loi de Newton agit sur deux objets différents – le poids d'un livre et la normale de la table ne forment pas une paire (les deux agissent sur le livre).
  • La friction statique s'ajuste jusqu'à $\mu_s N$ (utilisez-la pour tester si le mouvement commence) ; une fois le glissement, utilisez la friction cinétique $f_k=\mu_k N$.
  • Le mouvement circulaire nécessite une force nette vers l'intérieur (centripète) $mv^2/r$ fournie par une force réelle – il n'y a pas de force extérieure « centrifuge ».

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