La Force de Frottement : Ça Glisse ou Ça Résiste ?
Pourquoi est-il plus facile de glisser sur la glace que sur du papier de verre ? C'est la faute au frottement !
La force de frottement est une force qui s'oppose au mouvement (ou à la tentative de mouvement) entre deux surfaces en contact. Elle est présente partout autour de nous : quand on marche, quand on freine en vélo, ou même quand on essaie de pousser un meuble lourd. Comprendre et calculer cette force est crucial en physique. Dans cet exercice, nous allons analyser les forces agissant sur une caisse que l'on essaie de déplacer. 📦➡️
Le Déménagement de la Caisse
Schéma des Forces Agissant sur la Caisse
Schéma des forces agissant sur la caisse (les forces verticales sont simplifiées).
Questions à traiter
- Qu'est-ce que la force de frottement ? Dans quel sens agit-elle par rapport au mouvement (ou à la tentative de mouvement) ?
- Lorsque Lucas pousse avec \(F_{\text{poussée}} = 80 \text{ N}\) et que la caisse ne bouge pas :
- Quel est l'état de mouvement de la caisse ? Que peut-on dire de son accélération ?
- Quelle est alors la valeur de la force nette horizontale agissant sur la caisse ?
- Déduis-en la valeur de la force de frottement statique maximale que le sol peut exercer sur la caisse avant qu'elle ne bouge (on supposera que \(80 \text{ N}\) est juste à la limite de la faire bouger, ou que c'est la force de frottement statique qui s'ajuste).
- Lorsque Lucas pousse avec \(F'_{\text{poussée}} = 90 \text{ N}\) et que la caisse accélère à \(a = 0,5 \text{ m/s}^2\) :
- Calcule la force nette (\(F_{\text{nette}}\)) qui provoque cette accélération, en utilisant la deuxième loi de Newton (\(F_{\text{nette}} = m \times a\)).
- La force nette est aussi la différence entre la force de poussée et la force de frottement cinétique (quand ça glisse). Écris cette relation.
- Déduis-en la valeur de la force de frottement cinétique (\(F_{\text{frottement cinétique}}\)) lorsque la caisse glisse.
- Compare la force de frottement lorsque la caisse est sur le point de bouger (ou immobile avec \(80 \text{ N}\) de poussée) et lorsqu'elle glisse. Que remarques-tu généralement concernant le frottement statique maximal et le frottement cinétique ?
- Si Lucas arrêtait de pousser la caisse alors qu'elle glisse, quelle serait la seule force horizontale agissant sur elle ? Quel serait l'effet de cette force sur le mouvement de la caisse ?
Correction : Ça Glisse ou Ça Résiste ?
Question 1 : Force de frottement
Réponse :
La force de frottement est une force qui apparaît à la surface de contact entre deux objets et qui s'oppose à leur mouvement relatif (ou à la tentative de mouvement). Elle est due aux irrégularités des surfaces en contact et aux interactions entre les molécules de ces surfaces.
La force de frottement agit toujours dans un sens opposé au mouvement (ou à la tendance de mouvement) de l'objet par rapport à la surface sur laquelle il se déplace ou tente de se déplacer.
Question 2 : Caisse immobile avec \(F_{\text{poussée}} = 80 \text{ N}\)
Réponse a) État de mouvement et accélération :
Si la caisse ne bouge pas, son état de mouvement est l'immobilité (ou repos). Son accélération est donc nulle (\(a = 0 \text{ m/s}^2\)).
Réponse b) Force nette horizontale :
D'après la deuxième loi de Newton, si l'accélération est nulle, la force nette agissant sur l'objet est également nulle :
La force nette horizontale agissant sur la caisse est de \(0 \text{ N}\).
Réponse c) Force de frottement statique :
Puisque la force nette est nulle et que Lucas pousse avec \(80 \text{ N}\) vers l'avant, la force de frottement statique (\(F_{\text{statique}}\)) doit compenser exactement cette poussée en agissant vers l'arrière :
La force de frottement statique est de \(80 \text{ N}\). Si \(80 \text{ N}\) est la force juste avant le mouvement, c'est la valeur maximale du frottement statique.
Question 3 : Caisse en mouvement avec \(F'_{\text{poussée}} = 90 \text{ N}\)
Réponse a) Calcul de la force nette (\(F_{\text{nette}}\)) :
Masse \(m = 20 \text{ kg}\), Accélération \(a = 0,5 \text{ m/s}^2\).
La force nette qui provoque l'accélération est de \(10 \text{ N}\) (dirigée vers l'avant).
Réponse b) Relation entre les forces :
La force nette est la résultante de la force de poussée et de la force de frottement cinétique (\(F_{\text{cinétique}}\)) qui s'oppose au mouvement :
Réponse c) Valeur de la force de frottement cinétique :
On a \(F_{\text{nette}} = 10 \text{ N}\) et \(F'_{\text{poussée}} = 90 \text{ N}\).
Correction : Il y a une petite incohérence dans l'énoncé si le frottement statique maximal était de 80N et que le frottement cinétique est aussi de 80N. Normalement, le frottement cinétique est légèrement inférieur au frottement statique maximal. Pour les besoins de l'exercice, nous allons considérer que le frottement cinétique est bien celui calculé. Si l'énoncé avait été que la caisse bougeait à vitesse constante pour 80N, alors le frottement cinétique aurait été de 80N. Ici, avec une accélération, il doit être inférieur à la force qui l'a mise en mouvement si cette force était juste suffisante. Pour rendre l'exercice plus cohérent, imaginons que la force de frottement statique maximale était *supérieure* à 80N mais que Lucas n'a pas poussé assez fort initialement, ou que le frottement cinétique est bien de 80N dans ce cas précis. Avec les chiffres donnés, la force de frottement cinétique est bien de 80N.
La force de frottement cinétique est de \(80 \text{ N}\).
Question 4 : Comparaison frottement statique et cinétique
Réponse :
Dans notre cas, la force de frottement statique maximale (ou la force de frottement statique lorsque Lucas pousse avec \(80 \text{ N}\) sans mouvement) est de \(80 \text{ N}\).
La force de frottement cinétique (lorsque la caisse glisse avec une poussée de \(90 \text{ N}\)) est calculée à \(80 \text{ N}\).
Dans cet exemple précis, les valeurs sont égales. Généralement, la force de frottement statique maximale (la force qu'il faut vaincre pour mettre un objet en mouvement) est légèrement supérieure ou égale à la force de frottement cinétique (la force qui s'oppose au mouvement une fois que l'objet glisse). Il est souvent un peu plus difficile de démarrer un objet que de le maintenir en mouvement.
(Note: La cohérence de l'énoncé initial pourrait être améliorée pour mieux illustrer cette différence typique. Si on avait dit que la caisse commençait à bouger à 85N de poussée, et qu'ensuite avec 90N elle accélérait, le frottement cinétique aurait été inférieur à 85N).
Quiz Intermédiaire 1 : La force de frottement dépend principalement de :
Question 5 : Caisse après arrêt de la poussée
Réponse :
Si Lucas arrêtait de pousser la caisse alors qu'elle glisse, la force de poussée (\(F'_{\text{poussée}}\)) deviendrait nulle.
La seule force horizontale agissant sur la caisse serait alors la force de frottement cinétique (\(F_{\text{cinétique}} = 80 \text{ N}\)), qui s'opposerait toujours au mouvement (dirigée vers l'arrière).
L'effet de cette force de frottement serait de ralentir (décélérer) la caisse jusqu'à ce qu'elle s'arrête.
Quiz Intermédiaire 2 : Si un objet glisse sur une surface horizontale sans qu'aucune force ne le pousse ou ne le tire, il finira par s'arrêter à cause :
Quiz Rapide : Testez vos connaissances (Récapitulatif)
1. Une force de \(20 \text{ N}\) est appliquée à un objet de \(5 \text{ kg}\). Si la force de frottement est de \(10 \text{ N}\), la force nette est :
2. Si la force nette sur un objet de \(4 \text{ kg}\) est de \(12 \text{ N}\), son accélération est de :
3. La force de frottement cinétique est généralement :
Glossaire du Frottement
- Force (\(F\))
- Action capable de modifier l'état de mouvement d'un objet ou de le déformer. Unité : Newton (\(\text{N}\)).
- Force de Frottement (\(F_f\))
- Force qui s'oppose au mouvement relatif (ou à la tentative de mouvement) entre deux surfaces en contact.
- Frottement Statique
- Force de frottement qui empêche un objet de commencer à bouger. Sa valeur s'ajuste à la force appliquée, jusqu'à un maximum.
- Frottement Cinétique (ou Dynamique)
- Force de frottement qui s'oppose au mouvement d'un objet qui glisse déjà sur une surface. Elle est généralement considérée comme constante pour des vitesses faibles à modérées.
- Force Nette (\(F_{\text{nette}}\))
- Somme vectorielle de toutes les forces agissant sur un objet. C'est elle qui détermine l'accélération de l'objet (\(F_{\text{nette}} = m \times a\)).
- Masse (\(m\))
- Mesure de la quantité de matière d'un objet et de son inertie. Unité : kilogramme (\(\text{kg}\)).
- Accélération (\(a\))
- Taux de variation de la vitesse d'un objet. Unité : mètre par seconde carrée (\(\text{m/s}^2\)).
- Deuxième Loi de Newton
- Relation fondamentale : \(F_{\text{nette}} = m \times a\). La force nette appliquée à un objet est égale au produit de sa masse par son accélération.
- Newton (\(\text{N}\))
- Unité de mesure de la force.
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