- il y a 1 semaine
Cours disponible ici : https://drive.google.com/file/d/1m9UVZkWETi6cQ0_3gqcqOP6pnFF1PZjP/view?usp=sharing
Catalogue de vidéos disponibles : https://docs.google.com/spreadsheets/d/1YyOoi0plYR197o06WGSnkBBsEnFOnrWhrU4VphcoaZ4/edit
Exercices disponibles ici : https://drive.google.com/drive/folders/18TSxQ52_Ng1eQ0uXM2dH3ciRPyh0P_a9?usp=sharing
******* DEDICACE *******
Un grand merci à Mhyre, de Game Movie Land, pour m'avoir autorisé à utiliser quelques secondes d'une de ses vidéos pour illustrer le concept de force en mécanique !..
Si vous aimez les jeux vidéos, c'est ici que ça se passe : https://www.youtube.com/@GameMovieLand
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Que la Forge soit avec toi !..
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Catégorie
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ÉducationTranscription
00:24Les forces en mécanique
00:28Et on commence sans plus attendre par un petit disclaimer qui va te donner le ton de cette vidéo.
00:33C'est parti !
00:35Cet atelier est un catalogue de forces rencontrées au collège et au lycée, en spécialité physique-chimie ou sciences de
00:41l'ingénieur.
00:42C'est un panel de forces qui officie en mécanique du point, solide indéformable, et en mécanique des fluides.
00:49Je te conseille d'apprendre leurs caractéristiques, leurs formules et leur vocabulaire, tu auras ainsi une longueur d'avance sur
00:55les autres en devoir surveillé, ou en examen.
00:58Paragraphe suivant, dans lequel je vais définir ce qu'est une force, et il est important que tu comprennes parfaitement
01:04sa définition.
01:05C'est parti !
01:07En physique, une force modélise une action mécanique exercée par un objet, ou corps matériel, sur un autre, par contact,
01:14comme ce pied qui applique une force sur ce ballon ovale pour tenter un drop.
01:18Mais elle peut aussi s'exercer à distance, comme celle appliquée par Maître Yoda pour soulever le X-Wing de
01:24Luke, prisonnier des marais sur Dagobah.
01:26Oups, ce n'est pas le même type de force ici.
01:30Par conséquent, comme ton taux de midi-chlorien est quasiment nul, voire même négatif, je vais opter pour un exemple
01:36plus terre-à-terre, comme cette bille en acier dont la trajectoire est déviée à distance par cet aimant.
01:41Cette force est aussi capable de déformer cet objet, comme cette charge qui, sur un pont simple, lui impose une
01:47flexion qui met à mal sa structure, la flèche étant la distance de déplacement vertical maximale supportable par le pont
01:54avant rupture totale.
01:55La force peut aussi déplacer un objet, comme ces deux déménageurs amateurs qui bougent cette caisse qui semble bien lourde,
02:02mais elle peut aussi le dévier, comme ce que fait le Doom Slayer avec son bouclier.
02:06Pour toi qui n'a pas sa prestance et sa carrure, c'est renvoyer la balle à ton adversaire sur
02:11le cours de tennis, tes serres-poignets en place et ton bandeau sur le front, un dimanche matin avant l
02:16'heure de l'apéro.
02:17Le concept de force est très utile pour mettre en évidence le mouvement, en dynamique.
02:23Sur ce schéma, tu comprends que pour soulever ce buffet afin de lui coller sous les pieds des patins glissants,
02:28il va falloir appuyer fort sur ce levier.
02:31Ce concept de force met aussi en évidence les efforts, dans la statique.
02:36La nageuse en bout de plongeoir, qui appuie de tout son poids pour prendre son élan, ne pourra faire le
02:40saut de l'ange que si l'autre extrémité est bien scellée, c'est-à-dire que la force que
02:44le sol exerce sur la planche soit très grande.
02:47Sinon, vidéo gag.
02:50Il peut aussi mettre en évidence les déformations, dans la résistance des matériaux.
02:55Je vais donner une rapide définition pour chaque terme.
02:58La tension est un allongement longitudinal, on tire de chaque côté, comme sur une barre de remorquage.
03:04La compression est un raccourcissement, on appuie de chaque côté, comme pour un poteau supportant un plancher.
03:10Le cisaillement est un glissement relatif des sections, comme les deux lames d'une paire de ciseaux qui appliquent des
03:15forces opposées sur les deux côtés du papier, le faisant glisser et se séparer le long de la ligne de
03:20coupe.
03:21Une torsion est une rotation par glissement relatif des sections droites, comme sur un arbre de transmission d'un moteur.
03:28Une flexion est un fléchissement, sans allongement des fibres contenues dans le plan moyen, comme pour une planche de plongeoir.
03:35Quelles que soient les causes du mouvement ou des efforts, un freinage par frottement, une accélération par moteur, ou la
03:41portance sur une aile par les écoulements de l'air, l'attraction par la terre ou l'attraction par un
03:45aimant,
03:46tout se passe comme si on attachait à cet objet des petits élastiques, ou des ressorts, comme ceci, ou celui
03:52-là, tendus avec la même tension, ou valeur, que la force qui s'applique sur l'objet.
03:57De plus, il est possible de combiner en un seul vecteur, appelé « vecteur force totale », toutes les forces
04:03s'appliquant sur l'objet, en les ramenant sur un même point,
04:06généralement le centre de gravité, noté G, mais provenant de différentes causes, en sommant les vecteurs de chacune des forces
04:12en présence.
04:14C'est cette capacité à réunir, et à combiner, dans un même outil, des phénomènes aussi variés qui confèrent toute
04:20sa puissance au concept de force.
04:22Ainsi, une fois les lois du mouvement de Newton assimilées, on peut comprendre l'effet de n'importe quelle interaction
04:28sur un objet,
04:29obligé de rester dans les conditions d'application de la mécanique classique.
04:33La première, c'est dimension.
04:36Les objets doivent être suffisamment grands, par rapport à un atome, pour que la matière paraisse continue.
04:42Sinon, il faut utiliser la mécanique quantique.
04:45D'ailleurs, je l'aborderai un jour sur cette chaîne, mais il te faudra être d'une grande patience.
04:51La seconde, les vitesses.
04:54Elles doivent être relativement faibles par rapport à la célérité de la lumière.
04:58Sinon, il faut utiliser la relativité générale, ou la relativité restreinte.
05:03La troisième, la gravitation.
05:06Le champ de gravitation doit être peu variable, et d'intensité limitée, afin que l'on puisse négliger ses effets
05:12sur la géométrie de l'espace-temps.
05:14Sinon, il faut utiliser la relativité générale.
05:18Je vais ouvrir une parenthèse.
05:20Cette image, qui représente probablement la Terre, au centre, et la Lune gravitant autour, montre leur champ gravitationnel avec un
05:28outil appelé « puits gravitationnel ».
05:30C'est une représentation géométrique du concept de champ gravitationnel entourant un objet dans l'espace.
05:36Plus lourd sera l'objet, plus profond et étendu sera le puits qui lui est associé.
05:41Tout objet, ou personne, à la surface d'un corps céleste est considéré comme au fond du puits de ce
05:46corps.
05:47S'éloigner dans l'espace depuis la surface du corps céleste correspond à grimper en dehors du puits gravitationnel.
05:53L'énergie nécessaire pour atteindre la vitesse de libération augmente avec la profondeur du puits gravitationnel.
06:00Le puits de la Terre est assez large, peu profond, ce qui implique que si tu te déplaces autour de
06:05son centre, le champ va très peu évoluer, voire pas du tout.
06:09Maintenant, je te propose de comparer deux objets massifs, notre bon vieux soleil, et un trou noir.
06:15Le puits de notre étoile est fini, et en sachant que sa limite gravitationnelle est de deux années-lumière, tu
06:21peux avoir un ordre de grandeur de sa profondeur.
06:24Seulement, elle n'est rien comparée à celle du puits d'un trou noir, qui est infini.
06:28Par conséquent, le moindre petit déplacement autour de la singularité en son centre va te demander une énergie folle,
06:34ce qui implique qu'il faudra te mouvoir avec une vitesse excessivement proche de celle de la lumière, et donc
06:40passer en mécanique quantique.
06:42En physique, on modélise une force par un vecteur caractérisé par quatre éléments.
06:46En premier, la direction, qui indique l'orientation de la force.
06:51En second, le sens, vers où la force agit.
06:55En troisième, la norme, ou l'intensité de la force, exprimée en newton.
07:00En dernier, le point d'application, endroit où la force s'exerce, souvent au centre de gravité, noté G majuscule.
07:07En ayant ces quatre éléments, il est facile de comprendre ce qu'il va se passer en lisant un schéma
07:12dans un exercice.
07:14Par exemple ici, on a une potence, sur laquelle est fixé un pendule constitué d'une boule en fer, ou
07:19en acier, un aimant à proximité.
07:22Il est facile d'en déduire que l'aimant maintient le pendule en équilibre dans cette position.
07:27Voici les caractéristiques de chaque force.
07:30Le vecteur P correspond au poids, que tu vas découvrir bientôt dans la vidéo.
07:35Sa direction est verticale, son sens vers le bas, sa norme P est égale à M fois G.
07:40Et son point d'application est le centre de gravité grand G.
07:43Le vecteur T est celui de la tension du fil exercé sur la boule, qui sera abordé plus tard dans
07:48cette vidéo.
07:50Sa direction est celle du fil du pendule, son sens, de la boule vers la potence, sa norme est grand
07:55T,
07:56et son point d'application est l'attache du fil sur la boule.
07:59Le vecteur F est celui de la force de l'aimant exercé sur la boule.
08:03Sa direction est horizontale, son sens, vers la droite, sa norme est grand F,
08:08et son point d'application, le centre de gravité grand G.
08:12Je te conseille d'adopter la même présentation quand il te sera demandé, en exercice,
08:17d'énoncer les caractéristiques des vecteurs en présence.
08:20Le vecteur, une accolade ou vête, les quatre lignes avec leur titre, direction, sens, norme, point d'application, et tes
08:28réponses.
08:29On peut classer les forces selon leur distance d'action.
08:32Il y a les forces de contact, qui nécessitent un contact avec la matière sur laquelle elles s'exercent,
08:37comme la pression d'un gaz, ou les frottements.
08:40Et puis il y a les forces à distance, qui n'ont aucun contact avec l'objet sur lequel elles
08:45agissent,
08:45comme le poids, ou la force électromagnétique.
08:49Et dans cette image, j'ai un exemple concret pour chacune de ces deux catégories.
08:54La gravité, flèche oranze verticale vers le bas, qui représente l'action à distance de la Terre sur le livre,
08:59et la flèche bleue, verticale vers le haut, qui montre l'action de la table sur le livre, en contact
09:05l'un avec l'autre.
09:07Paragraphe suivant, dans lequel je vais te parler des forces gravitationnelles,
09:10dont j'ai évoqué un des effets il y a quelques secondes.
09:13C'est parti.
09:15Deux objets, notés A et B, de masses respectives MA et MB, sont espacés d'une distance RA-B.
09:22F de A sur B, à droite, est la force de gravitation exercée par le corps A sur le corps
09:27B,
09:27et F de B sur A, à gauche, celle exercée par le corps B sur le corps A.
09:32Ces forces de gravitation sont attractives.
09:35Elles se déterminent ainsi.
09:37F de A sur B, égale à F de B sur A, égale à FG, G pour gravitation, est égale
09:43à G, facteur B, MA fois MB, sur, RA-B au carré.
09:48G est la constante de gravitation universelle, égale à 6,67 fois 10 puissance moins 11 newton, mètre carré, par
09:56kilogramme au carré.
09:57MA est la masse de l'objet A, en kilogramme.
10:01MB est la masse de l'objet B, en kilogramme.
10:04RA-B est la distance entre les objets A et B, en mètre.
10:08Attention aux unités.
10:10Je remets la formule devant tes yeux.
10:13Pour avoir cette force de gravitation exgée, exprimée en newton, les masses des corps A et B doivent être en
10:19kilogramme,
10:19et RA-B, la distance entre A et B, de centre à centre, doit être en mètre, et il ne
10:25faudra pas oublier de la mettre au carré.
10:27Sinon, la valeur numérique calculée sera fausse, et archi-fausse, car non cohérente au vu des unités.
10:34Donc tu fais attention que ce que tu as écrit sur ta feuille, corresponde à ce que tu as saisi
10:38sur le clavier de ta calculatrice.
10:41D'après la troisième loi de newton, le vecteur F de A sur B est égal à moins le vecteur
10:46F de B sur A,
10:47ce qui implique que la norme de F de A sur B est égale à celle de F de B
10:51sur A.
10:52L'écriture vectorielle de la force va dépendre de son orientation avec le vecteur unitaire.
10:57D'après le schéma, le vecteur F de B sur A est égal à G, facteur 2, MA fois MB,
11:03sur, RA-B au carré, fois le vecteur U,
11:06car tous les deux dans le même sens, ce qui implique que le vecteur F de A sur B est
11:10égal à moins G, facteur 2, MA fois MB, sur, RA-B au carré, fois le vecteur U.
11:17Ce signe moins devant G indique que le vecteur F de A sur B est de sens opposé au vecteur
11:22unitaire U.
11:23A ce propos, ce vecteur unitaire, généralement noté U, quelquefois V, est très souvent imposé en exercice,
11:30mais tu peux parfois avoir le luxe de choisir son orientation.
11:34Quelle que soit la situation dans laquelle tu te trouves, s'il t'est demandé de déterminer l'expression vectorielle
11:39d'une force de gravitation,
11:40tu fais attention à son orientation par rapport à ce vecteur unitaire,
11:44et tu ne mets le signe moins devant la formule que s'ils sont de sens opposé.
11:49Paragraphe suivant, dans lequel je vais te parler du poids, pas du tien ni de celui que tu ressens de
11:53la part de la société,
11:54ce n'est pas dans un de mes nombreux domaines d'expertise, mais de la force nommée poids.
11:59C'est parti.
12:01Le poids, noté vecteur P, est une force gravitationnelle qui ne dépend que de la masse de l'objet, et
12:07de la constante de gravitation du lieu.
12:09Vecteur P est égal à M fois le vecteur G, ce dernier vecteur correspondant à l'accélération de pesanteur du
12:15lieu, vertical et vers le bas.
12:17Ça implique que d'un point de vue algébrique, P est égal à M fois G, formule à apprendre par
12:22cœur, avec, par exemple,
12:24la pesanteur de la Terre, noté GT, égale à 9,81 N par kg, et celle de la Lune, noté
12:31G Lune, égale à 1,62 N par kg.
12:35Et tu te souviens de ça ?
12:38Tu l'as vu il y a quelques instants.
12:40Ce sont les caractéristiques d'un vecteur force.
12:43Pour le poids, sa direction est verticale, son sens vers le bas, sa norme P est égale à M fois
12:48G,
12:49et son point d'application est le centre de gravité grand G.
12:53Le poids est une force gravitationnelle que subit un objet, de masse petite m,
12:57à une altitude, noté H, faible par rapport au rayon, noté grand R, du générateur de gravité, planète ou Lune,
13:04et de masse grand M.
13:06Pour information, je rappelle qu'une altitude se détermine par rapport au niveau de la mer,
13:11et que, faible, indique qu'elle est inférieure à 10 km, altitude de croisière des avions de ligne.
13:17Comme c'est une force de gravitation, appliquons la formule vue précédemment.
13:22P est égale à grand G, facteur de, grand M fois petit M, sur, grand R plus H, au carré,
13:28aussi égale à, petit M fois GH.
13:31Première remarque, une distance entre deux objets se mesure de centre à centre,
13:35ce qui correspond à la distance qui sépare leur centre de gravité.
13:39L'objet de masse petit M est souvent considéré comme un point matériel, donc sans rayon, ce qui explique le,
13:45grand R plus H.
13:47Seconde remarque, le but ici est de déterminer la valeur de la pesanteur en fonction de l'altitude à laquelle
13:52est l'objet.
13:53Oui, je t'ai indiqué il y a quelques secondes que sa valeur numérique était de 9,81 pour la
13:59Terre,
13:59mais j'ai oublié de préciser que c'était une valeur moyenne pour un objet en contact avec le sol.
14:05Par calcul, tu auras GH égale à, grand G fois grand M, sur, R plus H, au carré.
14:11Attention!
14:13Grand R et H sont obligatoirement exprimés en mètres, et il ne faudra pas oublier de mettre leur somme au
14:18carré.
14:19Sinon, tout est faux.
14:21C'est une erreur d'inattention qui ne pardonne pas donc,
14:24assure-toi bien que ce que tu as écrit sur ta feuille corresponde exactement à ce qu'il y a
14:28rédigé sur l'écran de ta calculatrice.
14:31Paragraphe suivant, on passe maintenant aux forces électrostatiques,
14:34et tu vas voir une similarité avec la formule des forces gravitationnelles.
14:38C'est parti!
14:40Il est impératif que les deux charges en présence soient statiques, ou supposées statiques, pour appliquer la loi de Coulomb.
14:47Les deux particules chargées seront considérées comme ponctuelles,
14:50ce qui implique que leur rayon sera négligeable devant la distance qui les sépare,
14:54et que leur charge sera concentrée sur leur centre de gravité.
14:58De plus, leur masse sera négligeable devant leur charge.
15:02L'expression de la loi de Coulomb sera la suivante.
15:05F de A sur B, égale à F de B sur A, égale à FE, E pour électrostatique, est égale
15:11à K, facteur de, QA fois QB, sur, DAB au carré.
15:16QA est la constante de Coulomb, égale à 9,0 fois 10 puissance 9 newton, mètre carré, par coulomb au
15:22carré.
15:23QA est la charge de la particule A, en coulomb.
15:27QB est la charge de la particule B, en coulomb.
15:30DAB est la distance entre les particules A et B, en mètres.
15:35Attention aux unités.
15:36Pour avoir cette force électrostatique FE exprimée en newton, QA et QB doivent être en coulomb, DAB doivent être en
15:43mètres, et il ne faudra pas oublier de la mettre au carré.
15:47Sinon, la valeur numérique calculée sera fausse, et archi-fausse, car non cohérente au vu des unités.
15:53Par conséquent, tu fais attention que ce que tu as écrit sur ta feuille corresponde à ce que tu as
15:58saisi sur le clavier de ta calculatrice.
16:00D'après la troisième loi de newton, le vecteur F de A sur B est égal à moins le vecteur
16:06F de B sur A, ce qui implique que la norme de F de A sur B est égale à
16:10celle de F de B sur A.
16:12Deux cas de figure sont possibles.
16:14Le premier, les charges sont de médecine, ce qui implique que les forces sont répulsives, comme indiqué sur ce schéma.
16:21Les flèches indiquent que les particules sont contraintes à s'éloigner l'une de l'autre.
16:25Second cas, les charges sont de signes opposés, ce qui implique que les forces sont attractives, comme indiqué sur ce
16:32schéma.
16:33Les flèches indiquent que les particules sont contraintes à se rapprocher l'une de l'autre.
16:38Paragraphe suivant, en lequel je vais te montrer les forces électriques, qui te seront bien utiles en terminale quand tu
16:43aborderas la mécanique de newton dans un champ électrique.
16:46C'est parti.
16:48E est le champ vectoriel électrique, supposé uniforme, qui résulterait de l'action à distance de particules électriquement chargées sur
16:55une particule test de charge unité, au repos, dans le référentiel d'études considéré comme galiléen.
17:01Le champ électrique E ira toujours du plus vers le moins, comme indiqué sur ce schéma de condensateur plan.
17:08VP est le potentiel de la plaque chargée positivement, plus Q, et VN le potentiel de la plaque chargée négativement,
17:14moins Q.
17:15Sa norme se calcule ainsi.
17:18E est égale à la valeur absolue de UPN sur D, aussi égale à VP-VN sur D, avec D,
17:26la distance entre les deux plaques, et UPN la tension entre.
17:29Pour que E soit exprimée en volt par mètre, la tension UPN doit être en volt, tout comme VP et
17:36VN, bien évidemment, et la distance, D, doit être en mètre.
17:40L'expression de la force électrique sera la suivante.
17:44Vecteur FE est égale à Q fois le vecteur E, donc FE est égale à valeur absolue de Q, fois
17:49E.
17:51FE est la force électrique, exprimée en newton.
17:54Q est la valeur de la charge, en coulant.
17:57E est la valeur du champ électrique uniforme, en volt par mètre.
18:01Ces deux formules entourées en rouge sont bien évidemment à apprendre par cœur, et je te conseille de leur associer
18:07le schéma à droite, qu'il faut que tu saches reproduit à la demande, pour apporter une touche graphique à
18:12ce savoir électro-scientifique.
18:15Paragraphe suivant, les forces normales.
18:17Que sont-elles ?
18:19Pourquoi sont-elles ?
18:21Comment sont-elles ?
18:23Et pose-t-on-t-elle ?
18:24Tu vas tout savoir dans un instant, et en un instant.
18:28C'est parti.
18:29La normale, notée vecteur N, parfois appelée réaction du support, notée vecteur R, ou vecteur R, est la réaction de
18:38résistance de la surface d'un corps à une force exercée par un autre corps en contact.
18:42La force normale est toujours perpendiculaire à la surface de contact entre les deux corps, comme montré sur la photo
18:48à droite.
18:50Quelle que soit l'orientation du support en contact et qui sert d'appui, plan incliné, horizontal ou vertical, ce
18:56vecteur N est toujours perpendiculaire au plan.
18:59Cette force est très importante dans le calcul des forces de frottement sec, statique et cinétique, que je vais aborder
19:05dans quelques secondes, il ne faut donc pas la négliger.
19:09Paragraphe suivant, dans lequel tu vas découvrir les forces de frottement, celles qui sont généralement négligées dans tous les exercices
19:15de mécanique en première et en terminale.
19:17C'est parti.
19:19Le frottement, notée vecteur f, est une force de contact qui s'oppose au mouvement.
19:25Cette force est dirigée dans le sens contraire du mouvement, comme indiqué sur cette image.
19:30En orange, la force de 400 N représentant la poussée du personnage pour déplacer son réfrigérateur vers la droite, en
19:37rouge la force de frottement, d'une valeur de 230 N, s'opposant au mouvement de ce frigo de 200
19:43kg.
19:44Tu ne le sais probablement pas, mais il existe plusieurs types de forces de frottement, et je me propose de
19:50te les enseigner tout de suite.
19:52La première, les forces de frottement fluide.
19:55C'est parti.
19:57Un frottement fluide est une force qui s'exerce sur un objet se déplaçant dans un fluide, un liquide, ou
20:02un gaz, à une vitesse V.
20:04Cette force dépend de la vitesse relative de l'objet, de sa forme, et des propriétés intrinsèques du fluide.
20:11La formule pour la calculer est la suivante.
20:14Vecteur petit f est égal à moins k fois le vecteur V, ce qui implique que petit f sera égal
20:19à k fois V.
20:21K est le coefficient de frottement, en newton, seconde, par mètre, et V la vitesse de l'objet, en mètre
20:27par seconde.
20:28Il est possible de voir les effets de ces forces de frottement fluide dans une soufflerie.
20:32Comme sur cette photo, la voiture est une Citroën DS, commercialisée entre 1955 et 1975, ou celle-ci, une aile
20:41d'avion, derrière laquelle on remarque la présence de vortex, ou tourbillons.
20:46Second type, les forces de frottement sexe statique.
20:49C'est parti.
20:51On parle de frottement statique, ou d'adhérence, lorsque deux corps ne glissent pas l'un sur l'autre.
20:56Par exemple, une valise qui se déplace sur un tapis roulant incliné.
21:01La formule pour le déterminer est la suivante.
21:04Fs inférieur ou égal à Fs max, égal à nués fois N.
21:09Fs est la force de frottement exercée, en newton.
21:13Fs max est la force de frottement maximal, en newton.
21:17Nués est le coefficient de frottement statique, sans unité.
21:21Et N est l'intensité de la normale, en newton.
21:25J'affiche une image qui te permet de voir comment sont organisées ces forces dans l'espace.
21:30Notre coureur s'agrippe à la piste grâce à sa chaussure, lui permettant de prendre son virage en toute sécurité.
21:37Fs est inférieur ou égal à Fs max, 7, mais il se passe quoi si Fs devient supérieur ?
21:43Réponse simple et simpliste, l'adhérence est rompue, la glissade est activée, et on passe en mode, frottement sexe cinétique,
21:50transition toute trouvée pour la suite.
21:52C'est parti.
21:54On aura un frottement cinétique lorsque les deux corps glissent l'un sur l'autre.
21:58Par exemple, cette même valise trop chargée, et en plastique lisse, qui glisse vers le bas de ce tapis roulant.
22:04On aura alors Fs égale à nués fois N.
22:08Fs est la force de frottement cinétique exercée, en newton.
22:12Nués est le coefficient de frottement cinétique, sans unité.
22:16N est l'intensité de la normale, en newton.
22:20J'affiche une image qui te permet de voir comment sont organisées ces forces dans l'espace.
22:25Une caisse tirée par une personne, qui oppose une certaine résistance à son déplacement,
22:30qui va dépendre de la matière de chaque objet en contact, ici le seuil et la caisse.
22:35Une caisse en bois sur une plaque de verglas, ça glisse nickel-chrome-vanadium.
22:39Par contre, la même caisse en bois sur un sol antidérapant, ce sera bien plus galère.
22:45Et par quelle magie on passe de l'une à l'autre ?
22:47Comment les relier entre elles ?
22:50C'est parti !
22:51Trêve de blabla, on passe au schéma, et je vais t'expliquer comment le lire.
22:56Petit a, origine du repère.
22:59Objet au repos, donc vitesse nulle, deux forces appliquées, le poids et la normale, qui se compensent.
23:05Petit b, une force de traction, notée F, est appliquée sur l'objet, toujours immobile,
23:11car une force de frottement sex-statique, notée FS, neutralise l'effet de F, principe d'inertie.
23:18Petit c, la force de traction est augmentée à un tel niveau que la force de frottement statique,
23:23qui la compense, atteint son maximum.
23:26L'objet reste immobile, mais plus pour longtemps.
23:29Petit d, la force de traction est plus intense, devenant supérieure à la force de frottement statique maximale.
23:36Résultat, l'objet se met en mouvement, et une force de frottement dynamique ou cinétique,
23:41plus faible que la statique, prend le relais et s'oppose au déplacement.
23:45Si ton but est de rester accroché au support,
23:48il est impératif que la force de frottement statique,
23:50qui va résulter de ta force de traction, soit dans les limites basses de sa valeur maximale.
23:55Mais si tu veux créer un mouvement, tu vas devoir forcer pour passer au-delà.
24:00Aussi simple que ça.
24:02Ici je te montrerai quelques valeurs de coefficient de frottement statique et cinétique
24:06pour enrichir ta culture générale scientifique,
24:08et comprendre le processus de déclenchement de certains événements dans ta vie de tous les jours.
24:13C'est parti !
24:15Voici un tableau avec quelques valeurs, et je vais commenter quelques lignes.
24:19Ligne 1, acier sur acier.
24:22Ceci explique pourquoi les trains ont des roues en acier et roulent sur des rails de la même matière.
24:27Dans une plaine horizontale ou sur un versant escarpé,
24:30quelle que soit la météo du moment, en montée comme en descente,
24:33il y a toujours une bonne accroche, en statique comme en dynamique.
24:37Ingénieux, n'est-il pas ?
24:39Lignes 5 et 6, qui expliquent pourquoi doubler ses distances de sécurité,
24:43par rapport à celle d'une route sèche, est primordial sur cette même route mouillée.
24:48Ton coefficient cinétique passe de 0,7 à 0,4, donc mécaniquement moins d'adhérence.
24:55Au moment du freinage, quand tu te rends compte que ton véhicule prend le large,
24:59ton coefficient statique ne sera plus que de 0,5, au lieu de 0,8,
25:04donc moins d'efficacité d'accroche du pneu sur le bitume,
25:07et même avec un ABS, si c'est trop court, ça restera toujours trop court.
25:12Donc lève le pied, surtout si tu as une BMW,
25:15qui menace de te tuer dans chaque virage sur route mouillée.
25:19Paragraphe suivant, dans lequel je vais aborder la tension.
25:22Alors oui, ça porte le même nom qu'une différence de potentiel en électricité et en régime stationnaire,
25:28mais ce n'est pas la même chose.
25:30C'est parti.
25:31La force de traction est la force exercée par une corde, un câble,
25:35ou tout objet élastique lorsqu'il est en tension.
25:38Et c'est tout.
25:40Tu peux le schématiser comme ceci, ou comme cela,
25:42et sa norme se détermine en appliquant des lois mécaniques que je t'expliquerai un peu plus tard.
25:47Par exemple, dans ce schéma que je t'ai déjà montré,
25:51compte tenu que la boule est supposée être immobile,
25:53il faudra appliquer la première loi de Newton, le principe d'inertie,
25:56et avec l'aide d'outils trigonométriques, comme le cosinus, le sinus, ou la tangente,
26:02tu pourras déterminer la norme de T.
26:04Paragraphe suivant, voici une force qui va faire partie de ta vie
26:08pendant un trimestre de ton année de terminale en physique, la force centripète.
26:12Et je te vois derrière ton écran, toi, l'adepte de la vanne scatologique,
26:17qui a entendu la syllabe « pet » dans le mot.
26:20Tu es en train de te marrer comme une baleine,
26:22en prenant conscience subitement que la force centripète,
26:25c'est par définition, une pression de gaz de digestion expulsée de façon brève,
26:29souvent bruyante, parfois malodorante,
26:32d'un orifice situé dans la partie centrale arrière de la zone pelvienne.
26:36Que nenni, comme tu vas vite t'en rendre compte.
26:39C'est parti.
26:40La force centripète, notée vecteur grand Fc,
26:44est toujours dirigée vers le centre de rotation.
26:46Elle maintient un corps dans un mouvement circulaire,
26:48comme montré dans cette image, qui contient la formule pour la calculer.
26:53Fc est égal à petit m fois AC, aussi égal à petit m fois V au carré sur grand R.
26:59Petit m est la masse de l'objet en rotation, exprimée en kilogrammes.
27:03AC est son accélération, toujours orientée vers le centre de rotation, en mètres par seconde au carré.
27:09Grand R est son rayon de courbure, toujours en mètres.
27:13V est la vitesse de l'objet, en mètres par seconde.
27:16Le vecteur vitesse est toujours tangent au cercle dessiné par la trajectoire,
27:20et perpendiculaire au rayon de courbure, comme indiqué sur l'image.
27:24En terminale, tu vas faire l'étude des objets massiques en rotation,
27:28supposés circulaires, dans l'espace.
27:31Cette force centripète va te permettre de démontrer la troisième loi de Kepler,
27:35un chapitre que je vais bien évidemment aborder ici dans quelques semaines.
27:39Paragraphe suivant, qui concerne la force de rappel.
27:43C'est hors programme dans la filière générale,
27:45mais qui apparaît dans les filières technologiques et professionnelles.
27:49C'est parti !
27:50Un ressort est une pièce mécanique qui, grâce à ses propriétés élastiques,
27:55permet d'emmagasiner de l'énergie pour la libérer plus tard,
27:58d'absorber des chocs,
27:59et de maintenir une force de contact entre des surfaces.
28:02Voici l'image d'un ressort, comportant des données techniques littérales.
28:07Il est caractérisé par sa longueur à vide, ou au repos, noté L0,
28:11et par sa constante de raideur, ou d'élasticité, noté K.
28:15Le calcul de la force de rappel se fera avec la formule suivante.
28:20Vecteur Fr égale à moins K, facteur de, L moins L0,
28:24fois le vecteur EX, le vecteur unitaire du repère,
28:27représenté à gauche de l'image,
28:29aussi égale à moins K, fois X, fois EX.
28:32X est la distance de déplacement de la masse située en bout de ressort.
28:37De ce fait, Fr est égal à K, facteur de la valeur absolue de,
28:41L moins L0, aussi égale à K fois la valeur absolue de X.
28:45Fr est la force de rappel du ressort, en newton.
28:49K est le coefficient de raideur du ressort, en newton par mètre.
28:53L0 est la longueur à vide, en mètre.
28:56L est la longueur du ressort, en mètre.
28:59X est l'allongement ou la compression du ressort, en mètre.
29:03Voici une petite expérience réalisée en deux temps,
29:06et concentre-toi sur les flèches bleues,
29:07la force de rappel du ressort, est verte, la valeur de X.
29:12La valeur du coefficient d'élasticité K est la même dans les deux cas.
29:16Image du haut, le ressort a été comprimé de 50,0 cm,
29:21la force de rappel du ressort est dirigée dans le sens opposé,
29:24vers le piston, et vaut 100 newton.
29:27Image du bas, le ressort a été étiré de 50,0 cm,
29:31la force de rappel du ressort est dirigée dans le sens opposé,
29:34vers le mur, et vaut aussi 100 newton.
29:37Comme cette force de rappel est proportionnelle à la distance de déplacement de l'extrénité libre du ressort,
29:42ça explique pourquoi il devient de plus en plus difficile d'étirer ou de comprimer un ressort au fur et
29:47à mesure que tu tires,
29:48ou que tu pousses dessus.
29:51Alors 7, sur un ressort de stylo à billes rétractables,
29:54il est facile de le comprimer totalement,
29:56ou de tellement l'étirer qu'il va perdre ses propriétés élastiques.
30:00Mais avec un ressort un peu plus costaud,
30:02comme celui de la béquille d'une moto, latéra ou centra,
30:05ou le ressort de son amortisseur,
30:07de celui d'une voiture,
30:08et même pourquoi pas,
30:09de celui d'un camion pour les plus braves,
30:11ce sera une autre paire de manches.
30:14Paragraphe suivant,
30:15avec lequel on prend le large pour parler des effets de la poussée d'Archimède.
30:19C'est parti.
30:21Tout corps prongé dans un fluide au repos,
30:23entièrement mouillé par celui-ci ou traversant sa surface libre,
30:26subit une force verticale,
30:28dirigée vers le haut,
30:29et opposée au poids du volume de fluide déplacé.
30:32Comme tu t'en doutes,
30:33cette force s'applique sur tous les bateaux,
30:36de la coquille de noix au méga-tanker pétrolier,
30:38mais elle est aussi présente sur les montgolfières et les autres aérostats,
30:42comme les dirigeables ou les ballons-sondes.
30:44Notez vecteur Pa ou vecteur Pi A,
30:47elle est égale à moins Rho, fois V, fois le vecteur G,
30:50ce qui implique que Pa, égale Pi A, égale à Rho, fois V, fois G,
30:54abrégé en Rho VG.
30:56Il est évident pour toi que cet enchaînement de formules doit être appris par cœur.
31:01Pa ou Pi A est la poussée d'Archimède, en newton.
31:04Rho est la masse volumique du fluide déplacé, en kilogramme par mètre cube.
31:09V est le volume de fluide déplacé, ou le volume immergé, en mètre cube.
31:14G est la constante de gravitation, égale à 9,81 newton par kilogramme.
31:20J'en profite pour te rappeler que les unités des variables dans une formule sont capitales pour garantir son homogénéité,
31:26et donc sa cohérence.
31:28Par conséquent, j'espère que tu maîtrises tous les types de conversion d'unités.
31:33La masse volumique de l'air varie avec la température.
31:36Rho R est égale à 1,292 fois, 273,15 sur grand T.
31:42Avec Rho R la masse volumique de l'air, en kilogramme par mètre cube,
31:46et grand T la température de l'air en Kelvin, la température en degrés Celsius plus 273,15.
31:53A 20 degrés Celsius, la masse volumique de l'air est de 1,204 kilogramme par mètre cube,
31:58celle de l'eau douce est de 1000 kilogramme par mètre cube.
32:02Cette masse volumique de l'eau augmente avec son taux de salinité,
32:05pouvant aller jusqu'à 1240 kilogramme par mètre cube pour l'eau de la mer morte.
32:10Ceci explique deux points.
32:12Le premier, le volume d'une montgolfière sera environ 800 fois plus grand
32:16que celui d'une coque de bateau subissant la même poussée.
32:19Si tu as eu la chance de monter dans la petite nacelle d'une montgolfière
32:23pouvant contenir 4 personnes, pilote compris,
32:26il te faut au-dessus de la tête une enveloppe de la taille d'un petit immeuble de centre-ville
32:29comportant 6 étages.
32:31Tout ça pour soulever une masse totale approchant la tonne.
32:35Le second point, la ligne de flottaison d'un bateau dépend de la salinité de l'eau dans laquelle il
32:39trempe.
32:41Ceci explique ce dessin spécifique sur la coque de tous les navires marchands,
32:44les marques dites de frambord, ou lignes de plein sol.
32:48Je ne vais pas m'attarder dessus dans cette vidéo,
32:50tu trouveras de plus amples informations dans mon cours,
32:53disponibles dans la description, ou encore dans le vaste monde d'internet.
32:57Paragraphe suivant, voici une force qui n'apparaît jamais dans le cursus scolaire scientifique,
33:02à part si tu suis des études en aéronautique,
33:04ou que tu es passionné par ce domaine,
33:06que tu l'as étudié et même,
33:08que tu pilotes un zinc le week-end,
33:10je veux bien entendu parler de la portance.
33:13C'est parti !
33:14La portance est une force perpendiculaire au déplacement du fluide.
33:19Elle est créée par l'aspiration dans une zone de dépression,
33:22formée sur l'extra d'eau,
33:23la partie supérieure du foil,
33:25ou de l'aile.
33:26Voici une image sur laquelle tu as toute la terminologie d'une aile d'avion,
33:30que je te conseille d'apprendre,
33:31ça enrichira ta culture générale scientifique.
33:34Mais la vidéo surpose pour commencer la mémorisation de ce vocabulaire,
33:38et de son emplacement sur la voilure.
33:41La portance verticale, notée FZ,
33:43d'une aile,
33:44vaut, exprimée en newton,
33:46un demi, fois rho, fois v au carré,
33:49fois S, fois CZ.
33:51Rho est la masse volumique du fluide,
33:53en kilogramme par mètre cube.
33:55V est la vitesse du flux d'air,
33:57en mètre par seconde.
33:59Grand S est la surface de l'aile,
34:01en mètre carré.
34:03CZ est le coefficient de portance,
34:05un nombre sans dimension,
34:06qui dépend de la forme de l'aile,
34:08mais aussi de son incidence.
34:10Cette courbe permet de te montrer son évolution.
34:13Avec un angle d'incidence de 0 degré,
34:15le coefficient de portance est faible.
34:18Il augmente de façon quasiment linéaire jusqu'à 18 degrés,
34:21et diminue au-delà.
34:23Cet angle limite est l'incidence de décrochage.
34:27Le décrochage d'un aéronef, avion, hélicoptère, ou autogir,
34:31est une perte de portance qui conduit à la chute de l'appareil,
34:34même si on tire sur le manche,
34:35pouvant être fatal à faible altitude.
34:38Et s'il y a une seule aile qui décroche,
34:40ce qui est possible,
34:41l'avion part en vrille et l'a,
34:43bon courage pour ne pas finir avec des ailes dans le dos.
34:46Paragraphe suivant,
34:47et dernière force du catalogue,
34:49la traînée,
34:50qui cause beaucoup de déperditions d'énergie
34:52dans tous les types de transport.
34:54C'est parti.
34:55En mécanique des fluides,
34:57la traînée est la force qui s'oppose
34:59au mouvement d'un corps dans un liquide,
35:00ou un gaz.
35:02Mathématiquement,
35:03c'est la composante des efforts exercés sur le corps,
35:06dans le sens opposé à la vitesse relative du corps,
35:08par rapport au fluide.
35:10Voici le schéma d'une aile,
35:12d'incidence alpha.
35:13Le vent relatif,
35:15flèche bleue,
35:16est horizontale et va vers la droite,
35:18ce qui implique que l'avion se déplace horizontalement vers la gauche,
35:21d'où cette traînée,
35:22flèche rouge,
35:23horizontale vers la droite.
35:25La traînée horizontale,
35:26notée RX,
35:27d'une aile,
35:28vaut,
35:29exprimée en newton,
35:30un demi,
35:31fois rho,
35:32fois v au carré,
35:33fois S,
35:34fois CX.
35:35Rho est la masse volumique du fluide,
35:37en kilogramme par mètre cube.
35:39V est la vitesse du flux d'air,
35:41en mètre par seconde.
35:43Grand S est la surface de l'aile,
35:45en mètre carré.
35:47CX est le coefficient de traînée,
35:49ou coefficient de pénétration,
35:50un nombre sans dimension,
35:52qui dépend du frottement visqueux,
35:54friction,
35:54et de la pression,
35:55traînée de forme.
35:57Voici trois objets de forme différentes.
36:00Derrière la boule et la planche verticale,
36:02tu constates que les turbulences,
36:04ou volutes de fluide,
36:05sont bien présentes,
36:06et assez importantes,
36:08contrairement à la circulation de ce même fluide de part et d'autre de l'aile,
36:11qui conserve son écoulement laminaire.
36:14C'est encore plus flagrant autour et derrière une Formule 1,
36:17surtout quand la couleur permet de donner un ordre de grandeur de la vitesse d'écoulement du fluide.
36:22En orange,
36:23c'est la vitesse constante imposée par la ventilation de la soufflerie.
36:27Dans les autres coureurs,
36:28les vitesses modifiées de ces flux d'air glissants sur la voiture.
36:32Tout ce qui n'est pas orange,
36:33c'est la traînée,
36:34à des degrés divers d'intensité.
36:36J'ai trouvé la vidéo qui correspond à ces deux images.
36:40Tu peux bien te rendre compte du panache de perturbation
36:43généré par le déplacement assez rapide de la voiture,
36:46200 km par heure.
36:48Tout dans cet engin a été optimisé pour la performance,
36:51et tu as quand même ces pertes immenses.
36:53Alors imagine la traînée d'un SUV,
36:56ou pire, d'un poids lourd.
36:58Elles apparaissent aussi dans certaines conditions au décollage
37:01ou à l'atterrissage d'un avion,
37:02comme sur la photo devant tes yeux.
37:04On dirait les mêmes rubans utilisés par les athlètes de gymnastique rythmique,
37:08sauf que ceux-ci sont composés d'eau et d'air,
37:11et qu'ils sont éphémères.
37:12En réalité, il y a plusieurs traînées.
37:15La première, la traînée induite,
37:18une force de résistance à l'avancement induite par la portance.
37:21La seconde, la traînée parasite,
37:24composée de la traînée de frottement,
37:26liée aux différences de vitesse en relais filet fluide,
37:29viscosité, la traînée de forme,
37:31qui apparaît dès qu'un objet a une certaine épaisseur,
37:33et la traînée d'interférence,
37:35due à la jonction en relais différents composants.
37:38Je ne vais pas m'attarder sur le sujet,
37:40il sera traité un jour lointain,
37:42quand je m'attaquerai de façon sérieuse à l'aéronautique,
37:44c'est-à-dire probablement pas avant 2030,
37:47en restant optimiste.
37:49Il n'empêche,
37:50je trouve intéressant de te montrer ce diagramme circulaire
37:53en trois dimensions qui te permet de chiffrer,
37:55par partie d'avion,
37:56les pètes engendrées par le déplacement de ce véhicule volant.
38:0044% de traînée induite,
38:02camembert orange,
38:0318% de traînée de frottement et de forme,
38:06camembert rouge,
38:07ça fait 62% en tout,
38:09ce qui est énorme.
38:10Dernier document,
38:11qui relie l'intensité de la traînée en fonction de la vitesse,
38:14à 1000 mètres d'altitude.
38:16D'après la courbe bleue,
38:18son point bas,
38:19autour de 75 nœuds sur l'axe des vitesses,
38:21soit environ 139 km par heure,
38:24représente la finesse maximale.
38:26C'est la vitesse qui permet de parcourir la plus grande distance
38:29pour une perte d'altitude donnée en cas de panne moteur,
38:32puisque c'est celle avec laquelle la traînée est la plus faible.
38:36Ce type de diagramme correspond aux performances
38:38d'un avion léger de tourisme,
38:40monomoteur,
38:41comme ceux que l'on retrouve sur le tarmac
38:43ou dans les hangars des aéroclubs.
38:45Dernier paragraphe,
38:46en lequel il est primordial que tu fasses attention
38:48à ce que cette information soit inscrit de façon permanente dans ton cerveau,
38:52et en va de la cohérence de tes écrits.
38:55C'est parti.
38:56L'unité des forces est le newton.
38:59N, E, W, T, O, N, newton.
39:04Pas les joules, ni les kilogrammes,
39:06ni toute autre unité sortie de ton imagination,
39:09seulement et uniquement les newton.
39:11Ça l'a toujours été,
39:12ça l'est actuellement,
39:13et ça le sera encore dans le futur.
39:16Je n'ai pas arrêté de t'indiquer l'unité de chaque force de ce catalogue,
39:20et c'est toujours la même, le newton.
39:22Il va falloir que ça percute dans tes neurones.
39:25Je le répète, les forces sont en newton,
39:28N, E, W, T, O, N, newton.
39:32C'est bon pour toi.
39:35L'atelier est désormais terminé.
39:37Tu as des questions ?
39:39Tu veux un complément d'information ?
39:41Rejoins-moi dans l'espace commentaire.
39:44Le cours complet en PDF, librement téléchargeable,
39:48est disponible dans la description de cette vidéo.
39:51Aucun exercice pour ce cours,
39:53mais je te conseille de le visionner encore et encore,
39:55afin de saisir chaque nuance des notions contenues.
39:58Prochaine vidéo sur l'encleum.
40:00Que la forge soit avec toi.
40:03Stay tuned.
40:04Tchuss.
40:06Tchuss.