Forces et équilibre
Une force, c'est une poussée ou une traction, mesurée en newtons. Quand toutes les forces qui agissent sur un objet s'annulent, il y a équilibre et le mouvement ne change pas.
Tu peux commencer ici : aucun prérequis.
Pourquoi
Pourquoi, au tir à la corde, la corde ne bouge-t-elle parfois pas d'un centimètre, alors que les deux équipes tirent de toutes leurs forces ?
À la kermesse ou à la fête de l'école, deux équipes tirent sur une corde. Tout le monde transpire et s'arc-boute, et pourtant le foulard rouge reste au milieu. On tire fort, mais il ne se passe rien.
C'est parce que les deux forces sont aussi grandes l'une que l'autre et agissent dans des sens opposés. Elles s'annulent. Ce n'est que si une équipe tire plus fort que la corde glisse de son côté. Tu apprends ainsi que ce n'est pas une seule force qui compte, mais toutes les forces ensemble.
Vois-le
Deux équipes tirent sur une caisse. Règle avec les curseurs la force avec laquelle chaque équipe tire. Regarde les flèches, la flèche de la force résultante et si la caisse bouge.
La caisse accélère vers la droite
Description de l'image
Une caisse au milieu, avec à gauche et à droite une équipe qui tire dessus. Chaque force est une flèche : plus la force est grande, plus la flèche est longue. Sous la caisse, la force résultante est représentée par une seule flèche, avec sa valeur en newtons. Si les deux forces sont égales, il n'y a pas de flèche résultante et la caisse reste immobile. Sinon, la caisse glisse du côté de la plus grande force.
Comprends-le
Une force, c'est une poussée ou une traction. Quand tu pousses un chariot, que tu tires une porte pour l'ouvrir ou que tu shootes dans un ballon, tu exerces une force. Une force peut mettre quelque chose en mouvement, le freiner, changer sa direction ou le déformer, comme un ballon que tu écrases.
On mesure les forces en newtons, en abrégé N. Une petite pomme de 100 grammes tire sur ta main avec environ 1 N. Tu mesures les forces avec un dynamomètre : un ressort qui s'allonge d'autant plus que tu tires fort.
Une force a une grandeur et une direction. C'est pourquoi on la dessine comme une flèche. La longueur de la flèche montre la grandeur de la force, la pointe montre son sens. Si plusieurs forces agissent sur le même objet, tu les combines en une seule force résultante. Si elles vont dans le même sens, tu les additionnes. Si elles s'opposent, tu les soustrais, et la force résultante va du côté de la plus grande.
Si la force résultante est nulle, les forces sont en équilibre. Un objet immobile reste alors immobile. Un objet en mouvement continue tout droit à la même vitesse. C'est la première loi de Newton, qu'on appelle aussi le principe d'inertie. Seule une force résultante change le mouvement.
Si un ballon que tu as shooté finit quand même par s'arrêter sur l'herbe, c'est à cause du frottement. Le frottement est une force entre deux surfaces qui agit contre le mouvement. Il est grand sur une surface rugueuse, petit sur la glace ou sur des roulettes. Sans frottement, tu ne pourrais même pas marcher, car tes chaussures glisseraient.
Des forces dans le même sens s'additionnent, des forces de sens opposés se soustraient. Si la force résultante vaut 0 N, il y a équilibre et le mouvement ne change pas.
Exemple résolu
L'équipe A tire une caisse vers la gauche avec 350 N. L'équipe B tire vers la droite avec 200 N et un aide avec 100 N. Quelle est la force résultante et de quel côté glisse la caisse ?
Additionne les forces vers la droite.
200+
100= 300 À gauche on tire avec 350 N, à droite avec 300 N. Elles s'opposent, donc tu soustrais.
350−
300= 50 La plus grande force est dirigée vers la gauche, donc la force résultante aussi.
- Réponse
La force résultante vaut 50 N vers la gauche. La caisse glisse vers la gauche.
Fais-le
Choisis un niveau. Tu reçois chaque fois un nouvel exercice, corrigé tout de suite.
Idées fausses
Faux: Si quelque chose bouge, une force doit toujours agir dans le sens du mouvement.
Un palet de hockey sur glace glisse encore longtemps après le coup sans que personne ne le pousse. Il ralentit seulement à cause du faible frottement.
Juste: Sans force résultante, un objet en mouvement continue tout droit à la même vitesse. Il faut une force pour changer le mouvement, pas pour le garder.
Faux: Si quelque chose est immobile, aucune force n'agit sur lui.
Un livre posé sur la table est tiré vers le bas par la pesanteur et en même temps poussé vers le haut par la table.
Juste: Des forces agissent bel et bien, mais elles sont en équilibre : la force résultante est nulle.
Faux: Deux forces de 40 N et de 30 N donnent toujours 70 N ensemble.
C'est vrai seulement si elles vont dans le même sens. Si elles s'opposent, il ne reste que 10 N.
Juste: Fais toujours attention au sens : additionne pour le même sens, soustrais pour des sens opposés.
Faux: Le frottement est toujours gênant et inutile.
Sans frottement, les freins de ton vélo ne fonctionneraient pas, les pneus patineraient sur la route et tu ne pourrais pas marcher.
Juste: Le frottement agit contre le mouvement. Parfois tu le veux petit, comme pour un patin, parfois grand, comme pour freiner.
Expérience à la maison
Un élastique comme dynamomètre
Ce qu'il te faut
- un élastique solide
- un gros livre
- un bout de ficelle ou un ruban
- une latte
- quatre ou cinq crayons ronds
Comment faire
- Noue la ficelle autour du livre et attache l'élastique au bout de la ficelle.
- Pose le livre sur la table et tire très lentement sur l'élastique jusqu'à ce que le livre commence tout juste à glisser.
- Mesure avec la latte la longueur de l'élastique à ce moment-là. Un élastique plus long signifie une force plus grande.
- Place maintenant les crayons côte à côte sous le livre, pour qu'il puisse rouler dessus.
- Tire de nouveau lentement et mesure la longueur de l'élastique quand le livre se met à bouger.
En sécurité : Tire calmement sur l'élastique et tiens-le loin de ton visage et de tes yeux, car un élastique peut lâcher d'un coup. Travaille sur une table d'où le livre ne peut pas tomber.
Que vois-tu, et pourquoi ?
Sur la table, l'élastique s'allonge beaucoup plus que sur les crayons. Entre le livre et la table, il y a beaucoup de frottement. Sur des crayons qui roulent, il y a beaucoup moins de frottement, donc il faut une force plus petite.
Dans la vie
- Par un jour d'hiver glissant, la commune répand du sel et du sable sur le trottoir. Le sable augmente le frottement, pour que tu glisses moins vite.
- Quand un bus TEC ou De Lijn freine brusquement, tu glisses vers l'avant. D'après le principe d'inertie, ton corps veut simplement continuer tout droit.
- Un sapin de Noël dans son pied reste droit parce que les forces qui agissent sur lui sont en équilibre. Un coup de vent peut rompre cet équilibre.
- Au supermarché, un caddie plein est plus difficile à mettre en mouvement qu'un caddie vide. Il te faut une plus grande force pour changer son mouvement.
Histoire
En 1687, le savant anglais Isaac Newton a écrit son livre sur les lois du mouvement. La première loi dit qu'un objet reste immobile ou continue en ligne droite tant qu'aucune force résultante n'agit sur lui. En son honneur, l'unité de force s'appelle le newton.
À table
Pourquoi faut-il pousser plus fort pour mettre un chariot plein en mouvement que pour le faire rouler ensuite ?
Une question pour en parler ensemble, parents et enfants. Il n'y a pas de mauvaise réponse.