Force Nette et Accélération : En Route pour l'Aventure !
Pousser, tirer, freiner... Comment les forces changent-elles le mouvement ?
Quand tu pousses une petite voiture, elle se met à bouger et prend de la vitesse. Si tu pousses plus fort, elle ira plus vite ! C'est parce que les forces modifient le mouvement des objets. La force nette est la force totale qui agit sur un objet, et elle est responsable de son accélération (le changement de sa vitesse). Dans cet exercice, nous allons explorer comment calculer ces grandeurs et comprendre la célèbre deuxième loi de Newton. 🚗💨
La Voiture de Course de Sam
Schéma des Forces Agissant sur la Voiture
Schéma simplifié des forces horizontales agissant sur la voiture.
Questions à traiter
- Qu'est-ce qu'une force en physique ? Quelle est son unité dans le Système International ?
- La force nette (\(F_{\text{nette}}\)) (ou résultante des forces) est la somme de toutes les forces qui agissent sur un objet. Si les forces agissent dans des sens opposés sur une même direction, on soustrait la plus petite de la plus grande.
- Calcule la force nette horizontale qui agit sur la voiture de Sam. Précise sa direction et son sens.
- L'accélération (\(a\)) d'un objet est le changement de sa vitesse par unité de temps. Elle est directement liée à la force nette et à la masse de l'objet par la deuxième loi de Newton (simplifiée) : \(F_{\text{nette}} = m \times a\).
- À partir de cette loi, exprime la formule qui permet de calculer l'accélération \(a\).
- Calcule l'accélération de la voiture de Sam. Quelle est l'unité de l'accélération si la force est en Newtons et la masse en kilogrammes ?
- Si Sam poussait deux fois plus fort (\(F_{\text{poussée}} = 20 \text{ N}\)) et que les frottements restaient les mêmes (\(2 \text{ N}\)) :
- Quelle serait la nouvelle force nette ?
- Quelle serait la nouvelle accélération de la voiture ?
- Imagine maintenant que Sam ajoute une charge sur sa voiture, doublant sa masse totale (\(m = 1 \text{ kg}\)). S'il la pousse toujours avec la force initiale de \(10 \text{ N}\) et que les frottements sont toujours de \(2 \text{ N}\) :
- La force nette change-t-elle ?
- Quelle serait la nouvelle accélération de la voiture ? Compare-la à l'accélération initiale (question 3b).
Correction : En Route pour l'Aventure !
Question 1 : Définition de la force et unité
Réponse :
En physique, une force est une action capable de modifier l'état de mouvement d'un objet (le mettre en mouvement, l'arrêter, changer sa vitesse ou sa direction) ou de le déformer.
L'unité de la force dans le Système International est le Newton (N).
Question 2 : Calcul de la force nette
Réponse a) Force nette horizontale :
La force de poussée (\(F_{\text{poussée}} = 10 \text{ N}\)) agit vers l'avant.
La force de frottement (\(F_{\text{frottement}} = 2 \text{ N}\)) agit vers l'arrière (s'oppose au mouvement).
Comme ces forces sont opposées, la force nette est leur différence :
La force nette horizontale qui agit sur la voiture est de \(8 \text{ N}\), dirigée vers l'avant (dans le sens de la poussée, car \(F_{\text{poussée}} > F_{\text{frottement}}\)).
Question 3 : Accélération et deuxième loi de Newton
Réponse a) Formule de l'accélération \(a\) :
La deuxième loi de Newton est \(F_{\text{nette}} = m \times a\).
Pour trouver l'accélération \(a\), on divise la force nette \(F_{\text{nette}}\) par la masse \(m\) :
Réponse b) Calcul de l'accélération de la voiture :
Force nette \(F_{\text{nette}} = 8 \text{ N}\), Masse \(m = 0,5 \text{ kg}\).
L'accélération de la voiture de Sam est de \(16 \text{ m/s}^2\).
L'unité de l'accélération, si la force est en Newtons (\(\text{N}\)) et la masse en kilogrammes (\(\text{kg}\)), est le mètre par seconde carrée (\(\text{m/s}^2\)).
Quiz Intermédiaire 1 : Si la force nette agissant sur un objet est nulle, son accélération est :
Question 4 : Poussée doublée
Réponse a) Nouvelle force nette :
Nouvelle \(F_{\text{poussée}} = 20 \text{ N}\), \(F_{\text{frottement}} = 2 \text{ N}\) (inchangée).
La nouvelle force nette serait de \(18 \text{ N}\) vers l'avant.
Réponse b) Nouvelle accélération :
Masse \(m = 0,5 \text{ kg}\) (inchangée), \(F_{\text{nette nouvelle}} = 18 \text{ N}\).
La nouvelle accélération de la voiture serait de \(36 \text{ m/s}^2\).
Question 5 : Masse doublée
Réponse a) Force nette avec masse doublée :
La force nette dépend uniquement des forces appliquées (\(F_{\text{poussée}}\) et \(F_{\text{frottement}}\)), pas de la masse de l'objet. Donc, si la poussée et les frottements restent les mêmes, la force nette ne change pas.
\(F_{\text{poussée}} = 10 \text{ N}\), \(F_{\text{frottement}} = 2 \text{ N}\).
La force nette reste de \(8 \text{ N}\) vers l'avant.
Réponse b) Nouvelle accélération avec masse doublée :
Nouvelle masse \(m_{\text{nouvelle}} = 1 \text{ kg}\), Force nette \(F_{\text{nette}} = 8 \text{ N}\).
La nouvelle accélération de la voiture serait de \(8 \text{ m/s}^2\).
Comparaison : L'accélération initiale était de \(16 \text{ m/s}^2\). La nouvelle accélération (\(8 \text{ m/s}^2\)) est deux fois plus petite. Cela est logique : pour une même force nette, si la masse est plus grande, l'objet accélère moins.
Quiz Intermédiaire 2 : Si la masse d'un objet augmente et que la force nette reste la même, son accélération :
Quiz Rapide : Testez vos connaissances (Récapitulatif)
1. La force nette est nulle si :
2. Un objet de masse \(2 \text{ kg}\) subit une force nette de \(10 \text{ N}\). Son accélération est de :
3. Si on double la force nette appliquée à un objet (sa masse ne changeant pas), son accélération :
Glossaire des Forces et de l'Accélération
- Force (\(F\))
- Action capable de modifier l'état de mouvement d'un objet ou de le déformer. Unité : Newton (\(\text{N}\)).
- Newton (\(\text{N}\))
- Unité de mesure de la force dans le Système International.
- Force Nette (\(F_{\text{nette}}\) ou Résultante des Forces)
- Somme vectorielle de toutes les forces agissant sur un objet. C'est cette force nette qui détermine l'accélération de l'objet.
- Masse (\(m\))
- Mesure de la quantité de matière d'un objet, et aussi de son inertie (sa résistance au changement de mouvement). Unité : kilogramme (\(\text{kg}\)).
- Kilogramme (\(\text{kg}\))
- Unité de mesure de la masse dans le Système International.
- Accélération (\(a\))
- Variation de la vitesse d'un objet par unité de temps. Elle peut être une augmentation de vitesse, une diminution de vitesse (décélération), ou un changement de direction. Unité : mètre par seconde carrée (\(\text{m/s}^2\)).
- Mètre par seconde carrée (\(\text{m/s}^2\))
- Unité de mesure de l'accélération.
- Deuxième Loi de Newton
- Principe fondamental de la dynamique qui relie la force nette agissant sur un objet, sa masse et son accélération par la formule \(F_{\text{nette}} = m \times a\).
- Force de Frottement
- Force qui s'oppose au mouvement (ou à la tentative de mouvement) entre deux surfaces en contact.
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