Physique : forces et énergie

Les forces : définition, caractéristiques et effets

Une force est toute cause capable de modifier l'état de repos ou de mouvement d'un corps (le mettre en mouvement, modifier sa vitesse ou sa trajectoire) ou de le déformer. Une force s'exerce toujours entre deux corps : l'auteur (qui agit) et le receveur (qui subit). Dans le Système International (SI), l'intensité d'une force se mesure en newtons (symbole $\text{N}$) à l'aide d'un dynamomètre.

Méthode
Identifier l'auteur et le receveur de l'action mécanique.
Déterminer les quatre caractéristiques de la force : point d'application, direction (la droite d'action), sens (vers où agit la force) et intensité (en $\text{N}$).
Choisir une échelle de représentation (par exemple : $1\text{ cm} \leftrightarrow 5\text{ N}$).
Tracer le vecteur force (flèche) partant du point d'application, le long de la droite d'action, dans le bon sens et avec la longueur correspondant à l'échelle.

Exemple
Une boîte de $2\text{ kg}$ est posée sur une table horizontale. Sur Terre, l'intensité de la pesanteur vaut $g = 9{,}81\text{ N/kg}$. Quelles sont les 4 caractéristiques de son poids ?

Corrigé pas à pas
1. Point d'application : le centre de gravité $G$ de la boîte.\n2. Direction : verticale.\n3. Sens : vers le bas (vers le centre de la Terre).\n4. Intensité : $P = m \times g = 2\text{ kg} \times 9{,}81\text{ N/kg} = 19{,}62\text{ N}$.

Erreurs fréquentes
Confondre la masse (quantité de matière en kg, invariable) et le poids (force d'attraction en N, qui dépend de l'endroit).
Confondre la direction (la droite : verticale, horizontale, oblique) et le sens (l'orientation : vers le haut, vers le bas, vers la gauche, vers la droite).

Énergie : formes, transformations et conservation

L'énergie mesure la capacité d'un système à modifier son état, à produire un mouvement, de la lumière ou de la chaleur. Son unité dans le Système International est le joule (symbole $\text{J}$). L'énergie mécanique totale ($E_m$) d'un corps est la somme de son énergie cinétique ($E_c$, énergie liée à sa vitesse) et de son énergie potentielle de gravitation ($E_p$, énergie liée à sa hauteur par rapport au sol) : $E_m = E_c + E_p$.

Méthode
Identifier l'état initial du système (vitesse et hauteur).
Identifier l'état final du système (vitesse et hauteur).
Analyser les transformations d'énergie : en l'absence de frottements, l'énergie potentielle se transforme intégralement en énergie cinétique (ou inversement), de sorte que $E_m = \text{constante}$.
S'il y a des frottements, une partie de l'énergie mécanique est dissipée sous forme d'énergie thermique.

Exemple
Une pomme de $0{,}2\text{ kg}$ est immobile au sommet d'une branche à $3\text{ m}$ du sol. Elle se détache et tombe. Que valent ses formes d'énergie au sommet et juste avant de toucher le sol (frottements négligés, $g = 9{,}81\text{ N/kg}$) ?

Corrigé pas à pas
Au sommet : la vitesse est nulle donc $E_c = 0\text{ J}$. L'énergie potentielle vaut $E_p = m \times g \times h = 0{,}2\text{ kg} \times 9{,}81\text{ N/kg} \times 3\text{ m} = 5{,}886\text{ J}$. L'énergie mécanique totale est $E_m = 5{,}886\text{ J}$.\nJuste avant le contact avec le sol : la hauteur est nulle donc $E_p = 0\text{ J}$. Comme l'énergie mécanique se conserve en l'absence de frottements, toute l'énergie potentielle s'est transformée en énergie cinétique : $E_c = E_m = 5{,}886\text{ J}$.

Erreurs fréquentes
Croire que l'énergie disparaît lors d'un freinage : elle ne disparaît jamais, elle est transformée en énergie thermique (chaleur due aux frottements).
Oublier de convertir la masse en kilogrammes ($ ext{kg}$) ou la distance en mètres ($ ext{m}$) avant d'appliquer une formule énergétique.

Calculer le poids d'un corps à partir de sa masse

1. Vérifier que la masse $m$ est exprimée en kilogrammes ($\text{kg}$). Si elle est en grammes, diviser par $1000$.
2. Relever l'intensité de la pesanteur $g$ du lieu (sur Terre, $g \approx 9{,}81\text{ N/kg}$).
3. Appliquer la formule : $P = m \times g$.
4. Exprimer le résultat final avec son unité : le newton ($\text{N}$).

Exemple
Un cartable a une masse de $4500\text{ g}$. Calcule la valeur de son poids à la surface de la Terre ($g = 9{,}81\text{ N/kg}$).

Corrigé pas à pas
Étape 1 : Conversion de la masse en kilogrammes :\n$$m = 4500\text{ g} = \frac{4500}{1000}\text{ kg} = 4{,}5\text{ kg}$$\nÉtape 2 : Intensité de pesanteur : $g = 9{,}81\text{ N/kg}$.\nÉtape 3 : Calcul du poids :\n$$P = m \times g = 4{,}5\text{ kg} \times 9{,}81\text{ N/kg} = 44{,}145\text{ N}$$\nLe poids du cartable est donc d'environ $44{,}15\text{ N}$.

Représenter une force par un vecteur

1. Déterminer le point d'application, la direction et le sens de la force.
2. Calculer l'intensité de la force en newtons ($\text{N}$).
3. Choisir ou appliquer l'échelle imposée (ex. : $1\text{ cm} \leftrightarrow 10\text{ N}$).
4. Calculer la longueur du segment fléché : $\text{longueur (cm)} = \frac{\text{Intensité (N)}}{\text{valeur pour 1 cm}}$.
5. Tracer la flèche à la règle avec précision depuis le point d'application.

Exemple
Un enfant tire un traîneau horizontalement vers la droite avec une force motrice $F = 30\text{ N}$. Représente cette force en utilisant l'échelle $1\text{ cm} \leftrightarrow 10\text{ N}$.

Corrigé pas à pas
1. Caractéristiques :\n- Point d'application : le point d'attache de la corde sur le traîneau.\n- Direction : horizontale.\n- Sens : vers la droite.\n- Intensité : $30\text{ N}$.\n2. Calcul de la longueur : avec l'échelle $1\text{ cm} \leftrightarrow 10\text{ N}$, la longueur du vecteur est de $\frac{30}{10} = 3\text{ cm}$.\n3. Tracé : un segment fléché horizontal de $3\text{ cm}$ orienté vers la droite partant du point d'attache.

Les forces et le poids

• Une force modifie le mouvement d'un objet ou le déforme. Unité SI : le newton ($\text{N}$).
• 4 caractéristiques d'une force : point d'application, direction, sens, intensité.
• Relation poids-masse : $P = m \times g$ avec $P$ en newtons ($\text{N}$), $m$ en kilogrammes ($\text{kg}$), et $g$ en newtons par kilogramme ($\text{N/kg}$).
• Sur Terre, $g \approx 9{,}81\text{ N/kg}$.

L'énergie mécanique

• Unité de l'énergie dans le SI : le joule ($\text{J}$).
• Énergie cinétique $E_c$ : énergie liée à la vitesse et à la masse d'un corps.
• Énergie potentielle $E_p$ : énergie liée à la position en hauteur ($E_p = m \times g \times h$).
• Énergie mécanique totale : $E_m = E_c + E_p$.
• Sans frottement, $E_m$ reste constante (conservation de l'énergie). Avec frottements, une partie de l'énergie mécanique est dissipée en énergie thermique.