Physique, secondaire 5 à Montréal • Dynamique

Exercices corrigés : dynamique et les lois de Newton (physique, secondaire 5)

Voici une série d'exercices corrigés de physique de secondaire 5 sur la dynamique : les forces et les trois lois de Newton. Les dix exercices couvrent la force résultante et la force normale (exercice 1), la deuxième loi de Newton avec la force de frottement (exercice 2), le frottement statique et le frottement cinétique avec le seuil de démarrage (exercice 3), le poids apparent dans un ascenseur (exercices 4 et 10), le plan incliné avec frottement (exercice 5), le système de deux masses relié par une poulie (exercice 6), deux blocs en contact (exercice 7) et la machine d'Atwood avec la troisième loi de Newton (exercice 9).

À la fin de la série, vous savez calculer l'accélération d'un objet soumis à plusieurs forces, la force qu'il faut pour décoller une caisse du repos, l'angle auquel une caisse se met à glisser sur un plancher qu'on incline, la tension d'une corde qui relie deux blocs, et ce qu'indique une balance dans un ascenseur qui accélère. Vous savez aussi faire le chemin inverse : retrouver un coefficient de frottement à partir d'une distance d'arrêt, en enchaînant la cinématique et la dynamique (exercice 8), et remonter au mouvement d'un ascenseur à partir de la lecture de la balance (exercice 10).

Faites chaque exercice avec un diagramme de corps libre (toutes les forces, avec leur direction) avant de calculer. En dynamique, le diagramme des forces vaut la moitié des points. Les corrigés traitent les pièges des évaluations : le frottement statique d'une caisse immobile qui n'est pas μsFN\mu_{s}F_{N} (exercice 3), la force de contact entre deux blocs qui change selon le bloc qu'on pousse (exercice 7), et les deux forces d'une paire action-réaction qui ne s'annulent jamais dans une même équation du mouvement (exercice 9).

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Ce chapitre fait partie de Physique de cinquième secondaire
Avant de commencer Fiche de révision : les pièges et la méthode de ce chapitre

Avant ce chapitre

Ces notions sont supposées acquises ici. Si le premier exercice résiste, le blocage vient presque toujours de l'une d'elles, pas du chapitre lui-même.

Remonter plus loin : la chaîne complète (4 chapitres) ↓

Le chemin de remédiation, du plus ancien au plus proche. Un élève qui reprend ce chapitre de zéro le reprend dans cet ordre.

  1. 1Les paramètres et les propriétés des fonctionsSecondaire 4
  2. 2La fonction polynomiale de degré 2Secondaire 4
  3. 3Les fonctions quadratiquesMathématiques
  4. 4Cinématique et le MRUA

Rappel de cours

  • • Deuxième loi de Newton : la force résultante donne l'accélération, ΣF=ma\Sigma F = m a. La force et l'accélération pointent dans la même direction.
  • • Poids (force gravitationnelle) : Fg=mgF_{g}=m g, avec g=9,8g=9{,}8 m/s² près de la surface terrestre.
  • • Force de frottement (en glissement) : Ff=μFNF_{f}=\mu F_{N}, où FNF_{N} est la force normale et μ\mu le coefficient de frottement. Le frottement s'oppose toujours au mouvement.
  • • Sur un plan incliné d'angle θ\theta : la composante du poids parallèle au plan vaut mgsin⁡θm g\sin\theta et la composante perpendiculaire (donc la normale, sans autre force) vaut mgcos⁡θm g\cos\theta.
  • • À l'équilibre, la force résultante est nulle (ΣF=0\Sigma F = 0) et l'accélération est nulle.
  • • Frottement STATIQUE : il s'ajuste pour équilibrer ce qu'on lui oppose, jusqu'à un plafond μsFN\mu_{s}F_{N}. Tant que l'objet ne bouge pas, ff vaut la force appliquée, PAS μsFN\mu_{s}F_{N}. Frottement CINÉTIQUE : f=μcFNf=\mu_{c}F_{N}, avec toujours μc<μs\mu_{c}<\mu_{s}, d'où le démarrage brusque. Angle de décrochage sur un plan incliné : tan⁡θ=μs\tan\theta=\mu_{s}, indépendant de la masse.
  • • Machine d'Atwood : a=(m2−m1)gm1+m2a=\frac{(m_{2}-m_{1})g}{m_{1}+m_{2}} et T=2m1m2gm1+m2T=\frac{2m_{1}m_{2}g}{m_{1}+m_{2}}, toujours comprise entre les deux poids. Les deux forces d'une paire action-réaction s'appliquent à des objets DIFFÉRENTS : elles ne s'annulent jamais dans une même équation du mouvement.

Partie A : Les trois lois de Newton (/50)

Exercice 1 : Forces, poids et résultante

Une boîte de 10 kg est posée sur un plancher horizontal sans frottement. On la pousse horizontalement avec une force de 40 N vers la droite, tandis qu'une force de 15 N agit vers la gauche. On prend g=9,8g=9{,}8 m/s².

10 kgF₁ = 40 NF₂ = 15 Nplancher horizontal, sans frottement
  • a) Calculez le poids de la boîte.
  • b) Quelle est la force normale exercée par le plancher sur la boîte ? Justifiez.
  • c) Déterminez la force résultante horizontale (grandeur et direction).
  • d) Déterminez l'accélération de la boîte.

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a)
b)
c)
d)
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Réponses

  • a) Fg=98F_{g}=98 N vers le bas
  • b) FN=98F_{N}=98 N vers le haut
  • c) ΣFx=25\Sigma F_{x}=25 N vers la droite
  • d) a=2,5a=2{,}5 m/s² vers la droite
a)

Fg=mg=10×9,8=98F_{g}=m g=10\times 9{,}8=98 N, dirigé vers le bas.

b)

La boîte n'accélère pas verticalement : la normale équilibre le poids, donc FN=Fg=98F_{N}=F_{g}=98 N, dirigée vers le haut.

c)

ΣFx=40−15=25\Sigma F_{x}=40-15=25 N vers la droite.

d)

a=ΣFm=2510=2,5a=\dfrac{\Sigma F}{m}=\dfrac{25}{10}=2{,}5 m/s², vers la droite (même direction que la résultante).

Fg = 98 NFN = 98 NF₁ = 40 NF₂ = 15 N
Les quatre forces partent du centre de la boîte, à l'échelle. Verticalement, FNF_{N} et FgF_{g} s'annulent ; horizontalement, il reste 40−15=2540-15=25 N vers la droite, d'où a=2,5a=2{,}5 m/s² dans ce sens.

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Exercice 2 : Deuxième loi de Newton avec frottement

Une caisse de 20 kg est tirée horizontalement sur un sol rugueux par une force horizontale de 100 N. Le coefficient de frottement cinétique entre la caisse et le sol est μ=0,25\mu=0{,}25. On prend g=9,8g=9{,}8 m/s².

20 kgF = 100 Nsol rugueux, μ = 0,25
  • a) Calculez la force normale.
  • b) Calculez la force de frottement.
  • c) Déterminez la force résultante horizontale.
  • d) Déterminez l'accélération de la caisse.

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a)
b)
c)
d)
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Réponses

  • a) FN=196F_{N}=196 N
  • b) Ff=49F_{f}=49 N
  • c) ΣF=51\Sigma F=51 N
  • d) a=2,55a=2{,}55 m/s²
a)

Sur l'horizontale, FN=mg=20×9,8=196F_{N}=m g=20\times 9{,}8=196 N.

b)

Ff=μFN=0,25×196=49F_{f}=\mu F_{N}=0{,}25\times 196=49 N, opposée au mouvement.

c)

ΣF=100−49=51\Sigma F=100-49=51 N dans le sens du mouvement.

d)

a=ΣFm=5120=2,55a=\dfrac{\Sigma F}{m}=\dfrac{51}{20}=2{,}55 m/s².

Fg = 196 NFN = 196 NF = 100 NFf = 49 N
Sur le plat, sans autre force verticale, la normale équilibre le poids : FN=196F_{N}=196 N, donc Ff=0,25×196=49F_{f}=0{,}25\times 196=49 N. La flèche violette est la moitié de l'orange : il reste 5151 N vers l'avant.

Exercice 3 : Frottement statique et cinétique : le seuil de démarrage

Une caisse de 40 kg repose sur un plancher horizontal. Le coefficient de frottement STATIQUE vaut μs=0,50\mu_{s}=0{,}50 et le coefficient CINÉTIQUE vaut μc=0,35\mu_{c}=0{,}35. On prend g=9,8g=9{,}8 m/s².

40 kgFμs = 0,50 ; μc = 0,35
  • a) Calculez la force horizontale minimale nécessaire pour mettre la caisse en mouvement.
  • b) On pousse avec seulement 150 N et la caisse reste immobile. Quelle est alors la valeur de la force de frottement ? Attention, ce n'est pas μsFN\mu_{s}F_{N}.
  • c) On maintient exactement la force du a) une fois la caisse lancée. Calculez son accélération. Pourquoi démarre-t-elle d'un coup ?
  • d) On incline lentement le plancher. À quel angle la caisse commence-t-elle à glisser ? Une fois partie, accélère-t-elle ou glisse-t-elle à vitesse constante ?
  • e) Une voiture roulant à 25 m/s freine. Comparez sa distance d'arrêt selon que les roues glissent (frottement cinétique) ou restent à la limite du roulement (frottement statique). Quel dispositif d'automobile exploite cette différence ?

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a)
b)
c)
d)
e)
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Réponses

  • a) Plus de 196196 N
  • b) f=150f=150 N, pas 196196 N
  • c) a=1,47a=1{,}47 m/s² : μc<μs\mu_{c}<\mu_{s}
  • d) θ≈26,6°\theta\approx 26{,}6° ; elle accélère, a≈1,3a\approx 1{,}3 m/s²
  • e) 9191 m roues bloquées contre 6464 m : l'ABS
a)

Sur un sol horizontal, FN=mg=(40)(9,8)=392F_{N}=mg=(40)(9{,}8)=392 N. Le frottement statique peut atteindre au maximum μsFN=(0,50)(392)=196\mu_{s}F_{N}=(0{,}50)(392)=196 N. Il faut donc dépasser 196 N pour que la caisse se mette en mouvement.

b)

Le frottement statique n'est PAS une valeur fixe : c'est une force qui s'ajuste pour équilibrer ce qu'on lui oppose, jusqu'à un plafond. Comme la caisse ne bouge pas, la résultante est nulle et le frottement vaut exactement 150 N, la force appliquée. La formule μsFN\mu_{s}F_{N} ne donne que le MAXIMUM disponible, pas la valeur en cours. Écrire f=μsFN=196f=\mu_{s}F_{N}=196 N ici serait doublement faux : ni la caisse ne bougerait sous une résultante de −46-46 N, ni le frottement ne peut pousser plus fort qu'on ne tire.

c)

Une fois lancée, c'est le frottement CINÉTIQUE qui agit : f=μcFN=(0,35)(392)=137,2f=\mu_{c}F_{N}=(0{,}35)(392)=137{,}2 N. Avec les 196 N maintenus : Fres=196−137,2=58,8F_{res}=196-137{,}2=58{,}8 N, donc a=58,840=1,47a=\frac{58{,}8}{40}=1{,}47 m/s². La caisse démarre d'un coup précisément parce que μc<μs\mu_{c}<\mu_{s} : la force qu'il a fallu pour vaincre le seuil devient soudain excédentaire dès que le mouvement s'amorce. C'est la sensation familière du meuble qui résiste, puis part brusquement.

d)

Sur un plan incliné, la composante motrice vaut mgsin⁡θmg\sin\theta et le frottement maximal μsmgcos⁡θ\mu_{s}mg\cos\theta. Le glissement commence quand mgsin⁡θ=μsmgcos⁡θmg\sin\theta=\mu_{s}mg\cos\theta, c'est-à-dire tan⁡θ=μs=0,50\tan\theta=\mu_{s}=0{,}50, soit θ≈26,6°\theta\approx 26{,}6°. La masse a disparu : l'angle de décrochage ne dépend que des matériaux, et c'est d'ailleurs la façon la plus simple de MESURER un coefficient de frottement. Une fois partie, la caisse subit a=g(sin⁡θ−μccos⁡θ)=9,8(0,4472−(0,35)(0,8944))≈1,3a=g(\sin\theta-\mu_{c}\cos\theta)=9{,}8(0{,}4472-(0{,}35)(0{,}8944))\approx 1{,}3 m/s² : elle ACCÉLÈRE, encore une fois parce que le coefficient cinétique est plus petit. Sur un plan tout juste incliné au seuil, l'objet ne se contente donc pas de glisser doucement, il dévale.

e)

La distance d'arrêt vaut d=v22μgd=\frac{v^{2}}{2\mu g}. Roues bloquées, avec μc=0,35\mu_{c}=0{,}35 : d=6252(0,35)(9,8)≈91d=\frac{625}{2(0{,}35)(9{,}8)}\approx 91 m. Roues à la limite du roulement, avec μs=0,50\mu_{s}=0{,}50 : d=6252(0,50)(9,8)≈64d=\frac{625}{2(0{,}50)(9{,}8)}\approx 64 m. Vingt-sept mètres de moins, soit près de 30 % : c'est toute la raison d'être du système ABS, qui relâche et reprend le freinage des dizaines de fois par seconde pour maintenir les roues juste en deçà du blocage. Un pneu qui roule sans glisser a son point de contact momentanément IMMOBILE par rapport à la route, c'est donc bien le frottement statique qui agit, et il est plus fort. Bloquer les roues, c'est perdre à la fois de la distance et toute possibilité de diriger le véhicule.

Fg = 392 NFN = 392 NF = 150 Nfs = 150 N
b) La caisse ne bouge pas : le frottement statique vaut EXACTEMENT les 150150 N appliqués, pas μsFN=196\mu_{s}F_{N}=196 N. Il s'ajuste, jusqu'à ce plafond.
26,6°Fg = 392 NFN = 351 Nfs max = 175 N
d) Au seuil de glissement, sur le plancher incliné de 26,6°26{,}6° : le frottement statique atteint son maximum, μsFN=0,50×351≈175\mu_{s}F_{N}=0{,}50\times 351\approx 175 N, et équilibre tout juste la composante du poids le long de la pente. Les trois forces se compensent.

Exercice 4 : Poids apparent dans un ascenseur

Une personne de 60 kg se tient sur une balance dans un ascenseur. La balance indique la force normale (le poids apparent). On prend g=9,8g=9{,}8 m/s² et on oriente le haut comme positif.

immobile2 m/s²a vers le haut2 m/s²a vers le bas
  • a) Que lit la balance quand l'ascenseur est immobile ou à vitesse constante ?
  • b) Que lit-elle quand l'ascenseur accélère vers le haut à 2 m/s² ?
  • c) Que lit-elle quand l'ascenseur accélère vers le bas à 2 m/s² ?
  • d) Que lit-elle si le câble casse et que l'ascenseur est en chute libre ? Interprétez.

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a)
b)
c)
d)
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Réponses

  • a) 588588 N
  • b) 708708 N
  • c) 468468 N
  • d) 00 N : impesanteur
a)

Accélération nulle : FN=mg=60×9,8=588F_{N}=m g=60\times 9{,}8=588 N.

b)

FN−mg=ma⇒FN=m(g+a)=60×(9,8+2)=708F_{N}-m g=m a\Rightarrow F_{N}=m(g+a)=60\times(9{,}8+2)=708 N (poids apparent plus grand).

c)

FN=m(g−a)=60×(9,8−2)=468F_{N}=m(g-a)=60\times(9{,}8-2)=468 N (poids apparent plus petit).

d)

En chute libre, a=−ga=-g, donc FN=m(g−g)=0F_{N}=m(g-g)=0 N : la personne se sent en apesanteur (impesanteur).

Fg = 588 NFN = 588 Na = 0Fg = 588 NFN = 708 Na = 2 m/s² ↑Fg = 588 NFN = 468 Na = 2 m/s² ↓Fg = 588 NFN = 0chute libre
Le poids (rouge) est le même dans les quatre cas. Seule la normale, que la balance affiche, change : plus longue que le poids quand l'accélération pointe vers le haut, plus courte quand elle pointe vers le bas, nulle en chute libre.

Exercice 5 : Problème : bloc sur un plan incliné avec frottement

Un bloc de 5 kg est déposé sur un plan incliné à 30° par rapport à l'horizontale. Le coefficient de frottement cinétique entre le bloc et le plan est μ=0,2\mu=0{,}2. Le bloc glisse vers le bas. On prend g=9,8g=9{,}8 m/s².

30°5 kgvμ = 0,2
  • a) Calculez la composante du poids parallèle au plan (celle qui entraîne le bloc vers le bas).
  • b) Calculez la force normale exercée par le plan.
  • c) Calculez la force de frottement.
  • d) Déterminez la force résultante le long du plan, puis l'accélération du bloc.

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a)
b)
c)
d)
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Réponses

  • a) Fg∥=24,5F_{g\parallel}=24{,}5 N
  • b) FN≈42,4F_{N}\approx 42{,}4 N
  • c) Ff≈8,49F_{f}\approx 8{,}49 N vers le haut du plan
  • d) ΣF≈16,0\Sigma F\approx 16{,}0 N ; a≈3,20a\approx 3{,}20 m/s²
a)

Fg∥=mgsin⁡θ=5×9,8×sin⁡30∘=49×0,5=24,5F_{g\parallel}=m g\sin\theta=5\times 9{,}8\times\sin 30^{\circ}=49\times 0{,}5=24{,}5 N.

b)

FN=mgcos⁡θ=5×9,8×cos⁡30∘≈49×0,866=42,4F_{N}=m g\cos\theta=5\times 9{,}8\times\cos 30^{\circ}\approx 49\times 0{,}866=42{,}4 N.

c)

Ff=μFN=0,2×42,4≈8,49F_{f}=\mu F_{N}=0{,}2\times 42{,}4\approx 8{,}49 N, dirigée vers le haut du plan (elle s'oppose au glissement).

d)

ΣF=Fg∥−Ff=24,5−8,49≈16,0\Sigma F=F_{g\parallel}-F_{f}=24{,}5-8{,}49\approx 16{,}0 N vers le bas. a=ΣFm=16,05≈3,20a=\dfrac{\Sigma F}{m}=\dfrac{16{,}0}{5}\approx 3{,}20 m/s².

30°Fg = 49 NFN = 42,4 NFf = 8,5 NFg∥ = 24,5 N
Diagramme de corps libre à l'échelle. La normale n'équilibre que la composante perpendiculaire du poids (42,442{,}4 N, pas 4949 N) ; le long du plan, Fg∥=24,5F_{g\parallel}=24{,}5 N (en tireté) l'emporte sur le frottement de 8,58{,}5 N, d'où une résultante de 16,016{,}0 N vers le bas de la pente.

Partie B : Niveau examen (/50)

Exercice 6 : Problème : système de deux masses et poulie

Un bloc A de 3 kg repose sur une table horizontale sans frottement. Il est relié par une corde inextensible, passant sur une poulie sans frottement au bord de la table, à un bloc B de 2 kg qui pend dans le vide. On lâche le système. On prend g=9,8g=9{,}8 m/s².

A, 3 kgB, 2 kgsans frottement
  • a) Quelle force met le système en mouvement ? Calculez-la.
  • b) En traitant les deux blocs comme un seul système, déterminez l'accélération.
  • c) Déterminez la tension dans la corde, puis vérifiez-la avec le bloc A.
  • d) Quelle distance le système parcourt-il pendant les 2 premières secondes ?

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a)
b)
c)
d)
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Réponses

  • a) Le poids de B : 19,619{,}6 N
  • b) a=3,92a=3{,}92 m/s²
  • c) T=11,76T=11{,}76 N, vérifié avec mAam_{A}a
  • d) Δx=7,84\Delta x=7{,}84 m
a)

C'est le poids du bloc B qui tire le système : F=mB g=2×9,8=19,6F=m_{B}\,g=2\times 9{,}8=19{,}6 N.

b)

Masse totale en mouvement : mA+mB=5m_{A}+m_{B}=5 kg. a=Fmtot=19,65=3,92a=\dfrac{F}{m_{tot}}=\dfrac{19{,}6}{5}=3{,}92 m/s².

c)

Sur le bloc B : mBg−T=mBa⇒T=mB(g−a)=2×(9,8−3,92)=11,76m_{B}g-T=m_{B}a\Rightarrow T=m_{B}(g-a)=2\times(9{,}8-3{,}92)=11{,}76 N. Vérification avec A (seule force horizontale) : T=mAa=3×3,92=11,76T=m_{A}a=3\times 3{,}92=11{,}76 N. Cohérent.

d)

Δx=12a Δt2=12×3,92×22=7,84\Delta x=\frac{1}{2}a\,\Delta t^{2}=\frac{1}{2}\times 3{,}92\times 2^{2}=7{,}84 m.

FgA = 29,4 NFN = 29,4 NT = 11,8 NT = 11,8 NFgB = 19,6 N
Une seule corde, donc une seule tension, T=11,8T=11{,}8 N, qui tire A vers la poulie et retient B. Sur B, le poids (19,619{,}6 N) dépasse la tension : B accélère vers le bas, A vers la poulie, à 3,923{,}92 m/s² tous les deux.

Exercice 7 : Deux blocs en contact

Sur une surface horizontale SANS frottement, un bloc A de 4,0 kg est en contact avec un bloc B de 2,0 kg. On pousse l'ensemble avec une force horizontale de 30 N appliquée sur le bloc A (le bloc B est devant).

ABF = 30 Nsans frottement
  • a) Calculez l'accélération de l'ensemble.
  • b) En isolant le bloc B (diagramme de corps libre de B seul), calculez la force de contact que A exerce sur B.
  • c) On applique maintenant la MÊME force de 30 N sur le bloc B (le bloc A est devant). Calculez la nouvelle force de contact.
  • d) Expliquez pourquoi les deux forces de contact sont différentes alors que la force appliquée et l'accélération sont identiques.

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a)
b)
c)
d)
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Réponses

  • a) a=5,0a=5{,}0 m/s²
  • b) FAB=10F_{AB}=10 N
  • c) FBA=20F_{BA}=20 N
  • d) Le contact accélère seulement la masse située devant
a)

Système complet : a=FmA+mB=306,0=5,0a=\dfrac{F}{m_{A}+m_{B}}=\dfrac{30}{6{,}0}=5{,}0 m/s².

b)

La seule force horizontale sur B est le contact avec A : FAB=mB a=2,0×5,0=10F_{AB}=m_{B}\,a=2{,}0\times 5{,}0=10 N.

c)

L'accélération reste 5,0 m/s². Cette fois, c'est le bloc A (devant) qui n'est poussé que par le contact : FBA=mA a=4,0×5,0=20F_{BA}=m_{A}\,a=4{,}0\times 5{,}0=20 N.

d)

La force de contact ne transmet que ce qu'il faut pour accélérer LA MASSE SITUÉE DEVANT. Quand le bloc léger est devant, le contact ne doit accélérer que 2 kg (10 N) ; quand le bloc lourd est devant, il doit en accélérer 4 kg (20 N). La force appliquée se répartit selon les masses en aval, pas également.

ABF = 30 NB sur A : 10 NA sur B : 10 N
b) Les deux blocs dessinés un peu écartés, forces horizontales seulement. Le contact pousse B avec 1010 N, et B repousse A avec 1010 N : une paire action-réaction, sur deux corps DIFFÉRENTS. Chaque bloc accélère à 5,05{,}0 m/s².
ABF = 30 NA sur B : 20 NB sur A : 20 N
c) La force appliquée sur B, A devant : le contact doit maintenant accélérer les 4,04{,}0 kg de A, il vaut 2020 N. Même force appliquée, même accélération, contact différent.

Exercice 8 : Retrouver le coefficient de frottement

Une caisse est lancée à 8,0 m/s sur un plancher horizontal. Le frottement la ralentit et elle s'immobilise après 10 m. Contrairement aux exercices habituels, le coefficient de frottement est ici l'INCONNUE : il faut enchaîner la cinématique puis la dynamique.

vᵢ = 8,0 m/sv = 010 m
  • a) À l'aide de l'équation vf2=vi2+2a Δxv_{f}^{2}=v_{i}^{2}+2a\,\Delta x, calculez l'accélération (décélération) de la caisse.
  • b) Faites le diagramme de corps libre pendant le glissement, écrivez la deuxième loi de Newton sur l'axe horizontal et montrez que μ=∣a∣g\mu=\dfrac{|a|}{g}, quelle que soit la masse.
  • c) Calculez le coefficient de frottement.
  • d) Sur le même plancher, quelle distance parcourrait la même caisse lancée à 16 m/s ? Justifiez sans refaire tout le calcul.

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a)
b)
c)
d)
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Réponses

  • a) a=−3,2a=-3{,}2 m/s²
  • b) −μmg=ma-\mu mg=ma, donc μ=∣a∣g\mu=\frac{|a|}{g}, sans la masse
  • c) μ≈0,33\mu\approx 0{,}33
  • d) 4040 m : vitesse doublée, distance quadruplée
a)

a=vf2−vi22 Δx=0−642×10=−3,2a=\dfrac{v_{f}^{2}-v_{i}^{2}}{2\,\Delta x}=\dfrac{0-64}{2\times 10}=-3{,}2 m/s².

b)

Trois forces : le poids mgmg vers le bas, la normale FN=mgF_{N}=mg (sol horizontal, pas d'autre force verticale) et le frottement Ff=μmgF_{f}=\mu mg vers l'arrière. Horizontalement : −μmg=ma-\mu mg=ma, donc μ=∣a∣g\mu=\dfrac{|a|}{g} : la masse se simplifie, une caisse lourde ou légère s'arrête sur la même distance.

c)

μ=3,29,8≈0,33\mu=\dfrac{3{,}2}{9{,}8}\approx 0{,}33.

d)

La décélération est la même (elle ne dépend que de μ\mu et gg), et Δx=vi22∣a∣\Delta x=\dfrac{v_{i}^{2}}{2|a|} est proportionnelle au CARRÉ de la vitesse initiale : à 16 m/s (le double), la distance est quadruplée, soit 40 m.

Fg = mgFN = mgFf = μmgva
Pendant le glissement, le frottement est la seule force horizontale : il pointe contre la vitesse, et l'accélération aussi. La flèche violette mesure le tiers du poids, comme μ≈0,33\mu\approx 0{,}33.

Exercice 9 : La machine d'Atwood et la troisième loi

Deux blocs, m1=3,0m_{1}=3{,}0 kg et m2=5,0m_{2}=5{,}0 kg, sont reliés par une corde inextensible de masse négligeable passant sur une poulie sans frottement fixée au plafond. Le bloc le plus lourd descend, l'autre monte. On prend g=9,8g=9{,}8 m/s².

m₁ = 3,0 kgm₂ = 5,0 kg
  • a) Faites le bilan des forces sur chaque bloc et identifiez la paire action-réaction qui relie la corde au bloc m1m_{1}. Pourquoi ces deux forces ne s'annulent-elles PAS dans l'équation du mouvement de m1m_{1} ?
  • b) Écrivez la deuxième loi de Newton pour chaque bloc et démontrez que a=(m2−m1)gm1+m2a=\frac{(m_{2}-m_{1})g}{m_{1}+m_{2}}.
  • c) Calculez l'accélération, puis la tension de la corde. Vérifiez que la tension est comprise entre les deux poids.
  • d) George Atwood a construit cette machine en 1784 pour étudier la chute des corps. En quoi rend-elle la gravité plus facile à mesurer qu'une chute libre ? Que devient l'accélération si les deux masses sont presque égales ? Et si l'une est nulle ?
  • e) Calculez la force totale que la corde exerce sur la poulie, et comparez-la au poids total des deux blocs. Le résultat vous surprend-il ? Expliquez-le.

Tape tes réponses, la page te dit juste ou faux 0/8

a)
b)
c)
d)
e)
Voir la correction

Réponses

  • a) La corde tire m1m_{1} vers le haut, m1m_{1} tire la corde vers le bas : objets différents
  • b) T−m1g=m1aT-m_{1}g=m_{1}a et m2g−T=m2am_{2}g-T=m_{2}a donnent a=(m2−m1)gm1+m2a=\frac{(m_{2}-m_{1})g}{m_{1}+m_{2}}
  • c) a=2,45a=2{,}45 m/s² ; T=36,75T=36{,}75 N, entre 29,429{,}4 N et 4949 N
  • d) Elle dilue la gravité ; masses égales : a=0a=0 ; une masse nulle : a=ga=g
  • e) 2T=73,52T=73{,}5 N, moins que 78,478{,}4 N : le centre de masse accélère vers le bas
a)

Sur m1m_{1} : son poids m1gm_{1}g vers le bas et la tension TT vers le haut. Sur m2m_{2} : son poids m2gm_{2}g vers le bas et la tension TT vers le haut, la même puisque la corde est sans masse et la poulie sans frottement. La paire action-réaction est : la corde tire le bloc m1m_{1} vers le haut avec la force TT, et le bloc m1m_{1} tire la corde vers le bas avec la force TT. Ces deux forces ne s'annulent jamais dans une équation du mouvement parce qu'elles s'appliquent à des OBJETS DIFFÉRENTS : l'une agit sur le bloc, l'autre sur la corde. On ne peut additionner que les forces subies par un même corps. Confondre une paire action-réaction avec deux forces qui s'équilibrent sur un même objet est l'erreur la plus tenace du chapitre.

b)

En orientant positivement le sens du mouvement (montée pour m1m_{1}, descente pour m2m_{2}), les deux blocs ont la même accélération aa en grandeur, puisque la corde est inextensible. Pour m1m_{1} : T−m1g=m1aT-m_{1}g=m_{1}a. Pour m2m_{2} : m2g−T=m2am_{2}g-T=m_{2}a. En additionnant membre à membre, la tension disparaît : (m2−m1)g=(m1+m2)a(m_{2}-m_{1})g=(m_{1}+m_{2})a, d'où a=(m2−m1)gm1+m2a=\frac{(m_{2}-m_{1})g}{m_{1}+m_{2}}. Lecture physique : la force motrice est la DIFFÉRENCE des poids, mais elle doit mettre en mouvement la SOMME des masses.

c)

a=(5,0−3,0)(9,8)8,0=2,45a=\frac{(5{,}0-3{,}0)(9{,}8)}{8{,}0}=2{,}45 m/s², soit un quart de gg. Tension : T=m1(g+a)=(3,0)(9,8+2,45)=36,75T=m_{1}(g+a)=(3{,}0)(9{,}8+2{,}45)=36{,}75 N. Vérification avec l'autre bloc : T=m2(g−a)=(5,0)(9,8−2,45)=36,75T=m_{2}(g-a)=(5{,}0)(9{,}8-2{,}45)=36{,}75 N, cohérent. Les deux poids valent m1g=29,4m_{1}g=29{,}4 N et m2g=49m_{2}g=49 N : la tension, 36,75 N, est bien comprise entre les deux, ce qui est logique puisqu'elle doit soulever le petit bloc en le faisant accélérer vers le haut, tout en freinant le gros.

d)

La chute libre est trop rapide pour être chronométrée à la main : un objet lâché de deux mètres touche le sol en 0,64 s. La machine d'Atwood permet de DILUER la gravité : en choisissant deux masses proches, on obtient une accélération aussi faible qu'on veut, donc un mouvement lent, mesurable au pendule ou à l'œil, tout en restant régi par la même constante gg que l'on cherche. Si les deux masses deviennent égales, a=0a=0 : le système reste immobile ou garde sa vitesse, en équilibre indifférent. Si l'une est nulle, a=ga=g : on retrouve la chute libre, ce qui confirme que la formule contient bien le cas limite.

e)

La poulie subit la tension des deux brins, tous deux verticaux et dirigés vers le bas : F=2T=2(36,75)=73,5F=2T=2(36{,}75)=73{,}5 N. Or le poids total des deux blocs vaut (8,0)(9,8)=78,4(8{,}0)(9{,}8)=78{,}4 N. La poulie supporte donc MOINS que le poids total, à hauteur de 4,9 N de moins. Ce n'est pas une erreur : le système n'est pas en équilibre, et son centre de masse ACCÉLÈRE vers le bas, puisque la masse qui descend est plus grande que celle qui monte. Pour qu'un système accélère vers le bas, il faut précisément que le support le retienne moins que son poids. On peut le vérifier : l'accélération du centre de masse vaut (m2−m1)(m1+m2)a=0,6125\frac{(m_{2}-m_{1})}{(m_{1}+m_{2})}a=0{,}6125 m/s² vers le bas, et (8,0)(0,6125)=4,9(8{,}0)(0{,}6125)=4{,}9 N, exactement le déficit constaté. Peser la machine en marche donnerait donc un résultat plus faible qu'à l'arrêt.

T = 36,75 NFg₁ = 29,4 NFg₂ = 49 NT = 36,75 Naa
La même tension, 36,7536{,}75 N, tire les deux blocs vers le haut. Sur m1m_{1}, elle dépasse le poids (29,429{,}4 N) : il monte en accélérant ; sur m2m_{2}, elle est inférieure au poids (4949 N) : il descend. La tension est bien prise en sandwich entre les deux poids.

Exercice 10 : Problème : la balance dans l'ascenseur (lecture inverse)

Une personne de 70 kg se tient sur une balance (graduée en newtons) dans un ascenseur. La balance indique la force NORMALE qu'elle exerce, c'est-à-dire le poids apparent. Ici, on lit la balance et on remonte au mouvement.

70 kgbalancecâblecabine et occupant : 500 kg
  • a) La balance indique 784 N. Calculez l'accélération de l'ascenseur et donnez son orientation.
  • b) Plus tard, elle indique 588 N. Calculez l'accélération. Donnez DEUX situations de mouvement compatibles avec cette lecture.
  • c) Qu'indiquerait la balance si le câble cassait (chute libre) ? Justifiez avec la deuxième loi de Newton.
  • d) La cabine (occupant compris) a une masse totale de 500 kg. Calculez la tension du câble pendant la phase du a).

Tape tes réponses, la page te dit juste ou faux 0/5

a)
b)
c)
d)
Voir la correction

Réponses

  • a) a=+1,4a=+1{,}4 m/s², vers le haut
  • b) a=−1,4a=-1{,}4 m/s² : descente qui démarre ou montée qui ralentit
  • c) 00 N
  • d) T=5600T=5600 N
a)

FN−mg=maF_{N}-mg=ma donne a=FNm−g=78470−9,8=11,2−9,8=+1,4a=\dfrac{F_{N}}{m}-g=\dfrac{784}{70}-9{,}8=11{,}2-9{,}8=+1{,}4 m/s², orientée vers le HAUT (poids apparent plus grand que le poids réel).

b)

a=58870−9,8=8,4−9,8=−1,4a=\dfrac{588}{70}-9{,}8=8{,}4-9{,}8=-1{,}4 m/s², vers le BAS. Deux situations : l'ascenseur DÉMARRE une descente (il accélère vers le bas), ou il TERMINE une montée (il ralentit en montant). Dans les deux cas, l'accélération pointe vers le bas ; la balance ne distingue pas le sens du mouvement, seulement celui de l'accélération.

c)

En chute libre, a=−ga=-g : FN=m(g+a)=m(g−g)=0F_{N}=m(g+a)=m(g-g)=0. La balance indiquerait ZÉRO : la personne « flotte » par rapport à la cabine, c'est l'impesanteur apparente.

d)

Pour la cabine complète : T−Mg=MaT-Mg=Ma, donc T=M(g+a)=500×(9,8+1,4)=500×11,2=5600T=M(g+a)=500\times(9{,}8+1{,}4)=500\times 11{,}2=5600 N.

Fg = 686 NFN = 784 Na = 1,4 m/s²balance : 784 NFg = 686 NFN = 588 Na = 1,4 m/s²balance : 588 N
a) La normale (784784 N) dépasse le poids (686686 N) : la résultante, donc l'accélération, pointe vers le HAUT. b) Elle est plus courte que le poids : l'accélération pointe vers le BAS, que l'ascenseur descende en accélérant ou monte en ralentissant.
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© Ahmed Squalli Houssaini. Série publiée sur www.letuteurscientifique.ca/exercices/phys5-dynamique-newton. Libre pour l'usage personnel et en classe ; sa republication ailleurs demande une autorisation écrite (mentions légales).

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