Les Secrets du Toboggan : Pourquoi ça Frotte ? (Niveau 5ème)
Youpi, le toboggan ! Mais... qu'est-ce qui nous ralentit ?
Glisser sur un toboggan, c'est super amusant ! Tu sens une force qui t'attire vers le bas, c'est la gravité qui te fait prendre de la vitesse. Mais as-tu déjà remarqué que tu ne glisses pas aussi vite sur tous les toboggans ? Parfois, quelque chose semble te retenir un peu. Cette force mystérieuse, c'est la force de frottement ! Dans cet exercice, nous allons explorer cette force et comment elle influence ta super descente. 🎢
L'Aventure de Chloé sur le Toboggan
Schéma : Chloé sur le toboggan et les forces en jeu
Chloé sur le toboggan. Les flèches représentent les forces principales (non à l'échelle exacte).
Questions à traiter
- Qu'est-ce que la force de frottement ? Donne un exemple de frottement que tu rencontres souvent en jouant (autre que sur un toboggan).
- Observe bien le schéma de Chloé sur le toboggan.
- Nomme les quatre forces qui sont représentées et qui agissent sur Chloé.
- Pour chaque force, décris brièvement sa direction (par exemple : verticale, horizontale, le long de la pente) et son sens (par exemple : vers le haut, vers le bas, vers la droite).
- Passons aux calculs ! 🤓
- La "Force de glissade" qui tire Chloé vers le bas est de \(150 \text{ N}\). La force de frottement qui la freine est de \(30 \text{ N}\). Quelle est la force totale (aussi appelée force nette ou résultante) qui pousse Chloé le long du toboggan ? Explique ton calcul.
- D'après ton résultat, Chloé va-t-elle glisser ? Si oui, comment son mouvement va-t-il évoluer (accélérer, ralentir, vitesse constante) ?
- Chloé décide de s'asseoir sur sa serviette de plage pour glisser. À ton avis, est-ce que la force de frottement avec le toboggan va augmenter, diminuer ou rester la même ? Explique pourquoi.
- Un surveillant du parc décide d'arroser légèrement le toboggan avec de l'eau. Quel effet cela aura-t-il généralement sur la force de frottement ? Comment cela va-t-il changer la glissade de Chloé ?
Correction : Les Secrets du Toboggan
Question 1 : Définition et exemple de force de frottement
Réponse :
La force de frottement est une force qui apparaît lorsque deux surfaces se touchent et essaient de glisser l'une sur l'autre (ou glissent déjà). Elle s'oppose toujours au mouvement ou à la tentative de mouvement. Elle peut ralentir un objet ou l'empêcher de bouger.
Exemples de frottements en jouant :
- Quand tu fais rouler une bille sur le sol, elle finit par s'arrêter à cause des frottements avec le sol et l'air.
- Quand tu essaies de pousser une grosse caisse de jouets sur un tapis, c'est plus difficile que sur du carrelage lisse à cause des frottements plus importants avec le tapis.
- Les freins de ton vélo utilisent le frottement pour te ralentir.
Question 2 : Forces sur Chloé
Réponse a) Nommer les quatre forces :
Les quatre forces représentées agissant sur Chloé sont :
- Le Poids (\(\text{P}\))
- Le Support du toboggan (\(\text{R}\))
- La Force de glissade (\(\text{F}_{\text{glisse}}\))
- La Force de frottement (\(\text{f}\))
Réponse b) Direction et sens des forces :
- Poids (\(\text{P}\))
- Direction : Verticale. Sens : Vers le bas (vers le centre de la Terre).
- Support du toboggan (\(\text{R}\))
- Direction : Perpendiculaire à la surface du toboggan. Sens : Vers le haut, en s'éloignant de la surface du toboggan (elle soutient Chloé).
- Force de glissade (\(\text{F}_{\text{glisse}}\))
- Direction : Parallèle à la pente du toboggan. Sens : Vers le bas du toboggan (c'est ce qui fait glisser Chloé).
- Force de frottement (\(\text{f}\))
- Direction : Parallèle à la pente du toboggan. Sens : Vers le haut du toboggan (elle s'oppose à la Force de glissade).
Question 3 : Calculs !
Réponse a) Force totale (ou nette) :
Pour trouver la force totale qui pousse Chloé le long du toboggan, il faut soustraire la force de frottement (qui s'oppose au mouvement) de la force de glissade (qui entraîne le mouvement).
La force totale qui pousse Chloé vers le bas du toboggan est de \(120 \text{ N}\).
Réponse b) Mouvement de Chloé :
Comme la force totale (\(120 \text{ N}\)) est supérieure à zéro et dirigée vers le bas du toboggan, Chloé va glisser. Plus précisément, cette force nette va la faire accélérer vers le bas (sa vitesse va augmenter).
Quiz Intermédiaire 1 : Si la force de glissade était de \(50 \text{ N}\) et la force de frottement de \(50 \text{ N}\), que se passerait-il si Chloé était immobile au départ ?
Question 4 : Glisser sur une serviette
Réponse :
Si Chloé s'assoit sur sa serviette de plage pour glisser, la nature de la surface en contact avec le toboggan change. Généralement, une serviette (surtout si elle est un peu rêche) créera plus de frottements qu'un vêtement lisse de sport. Donc, la force de frottement a de fortes chances d'augmenter. Cela rendrait la glissade plus lente.
Question 5 : Toboggan arrosé
Réponse :
Si on arrose le toboggan avec de l'eau, l'eau agit comme un lubrifiant entre Chloé (ou sa serviette) et la surface du toboggan. Cela a pour effet de diminuer la force de frottement. Avec moins de frottements pour la retenir, Chloé glissera plus vite et plus facilement ! 🌊💨
Quiz Intermédiaire 2 : Quel est l'effet principal de la lubrification (comme mettre de l'eau sur un toboggan) ?
Quiz Rapide : Testez vos connaissances (Récapitulatif)
1. La force de frottement s'oppose toujours :
2. Si la Force de glissade est de \(200 \text{ N}\) et la force de frottement est de \(50 \text{ N}\), la force nette qui fait descendre est de :
3. Pour glisser plus vite sur un toboggan (en supposant qu'on ne change pas sa position), il faudrait :
Glossaire du Toboggan
- Force
- Action capable de modifier l'état de mouvement d'un objet (le faire démarrer, s'arrêter, accélérer, ralentir, changer de direction) ou de le déformer. Elle a une direction, un sens, et une valeur (intensité) mesurée en Newtons (\(\text{N}\)).
- Force de Frottement (\(\text{f}\))
- Force qui s'oppose au mouvement (ou à la tentative de mouvement) entre deux surfaces en contact. Elle dépend de la nature des surfaces et de la force avec laquelle elles sont pressées l'une contre l'autre.
- Poids (\(\text{P}\))
- Force de gravité exercée par la Terre (ou une autre planète/astre) sur un objet. Il est toujours dirigé verticalement vers le bas. Sa valeur est \(P = m \times g\), où \(m\) est la masse et \(g\) l'accélération de la pesanteur (environ \(9.8 \text{ N/kg}\) sur Terre, souvent arrondi à \(10 \text{ N/kg}\) pour simplifier).
- Support (ou Réaction Normale \(\text{R}\))
- Force exercée par une surface (sol, table, toboggan) sur un objet en contact avec elle. Elle est perpendiculaire à la surface et dirigée vers l'extérieur de celle-ci. Elle empêche l'objet de traverser la surface.
- Force de glissade (\(\text{F}_{\text{glisse}}\))
- Dans cet exercice, c'est une manière simplifiée de parler de la composante du poids qui tire l'objet le long d'une pente. C'est la force motrice principale sur un toboggan ou une pente.
- Force Nette (ou Force Totale / Résultante)
- La somme de toutes les forces agissant sur un objet. Si la force nette n'est pas nulle, l'objet accélère (change de vitesse ou de direction). Si elle est nulle, l'objet reste immobile ou continue son mouvement à vitesse constante en ligne droite.
- Newton (\(\text{N}\))
- L'unité de mesure de la force dans le Système International. Un Newton est approximativement la force nécessaire pour soulever une petite pomme (d'environ 100 grammes).
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