T.P. de physique – Travail d’une force

Deux séances

Remarque : vous répondrez aux questions posées (en italique) sur une copie double individuelle.

Partie 1 : Quels sont les effets possibles d’une force dont le point d’application se déplace ?

A / Le dispositif

Un wagon peut se déplacer sur la paillasse (on néglige les frottements). A l’aide d’un sèche cheveux, on exerce une force sur le wagon.

Lorsque le sèche cheveux accompagne le mouvement (toujours collé au gobelet) du wagon tout en gardant la même direction, on peut considérer que le vecteur force est constant.

B / Étude qualitative de différentes situations

1 / Situation 1

Le wagon est initialement au repos en A. On applique la force F de A à B. On note V la vitesse du wagon en B.

La force F est colinéaire et de même sens que le déplacement AB

1 ) Comment varie la vitesse en B en fonction de la valeur de F (on change l’intensité de la force F en modifiant la vitesse de soufflerie du sèche cheveux) ?

2 ) Comment varie la vitesse en B en fonction de la longueur du segment AB (la soufflerie du sèche cheveux est à fond durant cette expérience) ?

2 / Situation 2

La force F fait un angle a <p/2 ( a < 90° ) avec le déplacement AB.

3 ) Comment est modifiée la vitesse par rapport par rapport au cas de la situation 1 ?

3 / Situation 3

Le wagon à une vitesse initiale en A, il se déplace de A vers B. On applique une force de même valeur sur un même déplacement AB mais avec des directions différentes.

Représenter sur un schéma le vecteur force F et le vecteur déplacement AB pour chacun des quatre cas.

4 )        . cas un : F est colinéaire et de même sens que AB.

. cas deux : F fait un angle a <p/2 ( a < 90° ) avec AB.

. cas trois : F est colinéaire mais de sens opposé à AB.

. cas quatre : F fait un angle  a >p/2 (a > 90° ) avec AB.

5 ) Comparer l’efficacité de ces forces à modifier la vitesse. Y a-t-il des directions particulièrement efficaces pour accélérer ou freiner le wagon ? Lesquelles ? Y a-t-il  des directions particulièrement inefficaces pour agir sur la vitesse du wagon ?  Lesquelles ?

C / Notion de travail d’un force.

Lorsqu’une force constante F agit sur un mobile en mouvement de translation tout au long d’un déplacement AB, on dit qu’elle effectue un travail W.

Selon les cas, un travail peut être « moteur », « résistant », ou « nul ».

6 ) Dans quels cas diriez-vous qu’un travail est moteur ? Résistant ? Nul ? Quelles conditions sur les angles entre F et AB peut-on identifier ?

7 ) Parmi les relations ci-dessous proposées pour définir le travail qu’une force constante de valeur F effectue sur un mobile au cours d’un déplacement rectiligne de longueur AB, quelle est celle qui vous paraît la mieux convenir et pourquoi ?

W=F.AB     W=F.AB.sin a      W=F.AB.cos a      W=F.AB a

8 ) Expliquer succinctement les affirmations de chacun des personnages du dessin.

Partie 2 : Expression et calcul du travail d’une force constante

A / Étude de la chute libre

Expérience :

Ouvrir le logiciel CDMOVIE. Aller dans le menu image puis série d’images et cliquer sur par nom de fichiers. Dans la fenêtre qui s’ouvre, faire défiler les films à l’aide de la flèche et choisir  : « CHGOLF.MOV ». Valider en cliquant sur OK. Visualiser la séquence vidéo, en cliquant sur cinéma dans la barre des menus puis quitter en cliquant sur la croix X se trouvant en haut à droite de la fenêtre vidéo.

Exploitation :

Le document 1 (en annexe) représente la trajectoire du centre d’inertie de la balle de golf visualisé précédemment.

9 ) Définir le système, le référentiel, et faire un bilan des forces (on considère tous les frottements comme négligeables).

Remarque :

La durée entre deux points consécutifs est de 40 ms ; et déterminer les distances entre chaque point directement à la règle sans tenir compte d’aucune échelle.

10 ) Déterminer la vitesse du centre d’inertie de la balle de golf pour les positions 5, 10, et 15.

11 ) Représenter les vecteurs vitesses pour chacune de ces trois positions (échelle : 1cm pour 0,1 m/s) sur le schéma.

12 ) Calculer la variation de vitesse ?V du centre d’inertie entre la position 5 et la position 10, puis entre la position 10 et la position 15.

13 ) Donner l’expression du travail W du poids de la balle de golf lors de son déplacement de la position 5 à la position 15, et le calculer ( sachant que la masse m de la balle de golf est égale à 100 g et que l’intensité de la pesanteur g est égale à 9,81 N/kg).

14 ) Comparer les signes de ?V et du travail W.

15 ) Comment qualifie-t-on le travail du poids ? Quel est son effet sur la vitesse du centre d’inertie de la règle.

B / Mouvement circulaire uniforme

Expérience :

On fixe un mobile à un plot central à l’aide d’un fil sur une table à coussin d’air horizontale et on lance le mobile de façon à obtenir l’enregistrement d’un mouvement circulaire uniforme.

Montage :

Exploitation :

Le document 2 (en annexe) représente la trajectoire du centre d’inertie du mobile.

Remarque :

La durée entre deux points consécutifs est de 40 ms. Les distances sont mesurées directement sur le document sans tenir compte d’aucune échelle.

16 ) Définir le système, le référentiel, et faire un bilan des forces.

17 ) Déterminer les vitesses des points 5 et 10 et représenter les vecteurs vitesses pour ces deux positions (échelle : 1 cm pour 0,1 m/s).

18 ) Calculer ?V = V₁₀ – V₅.

19 ) Représenter sur un schéma vu de profil les forces appliquées au mobile.

20 ) Déterminer (expression et calcul) le travail de chacune des forces appliquées au mobile entre la position 5 et 10.

21 ) Calculer la somme W des travaux des forces.

22 ) Comparer ?V et W.

23 ) Quel est l’effet de l’ensemble de ces forces sur le mouvement du mobile ?

C / Mouvement sur un plan incliné

Expérience :

Ouvrir le logiciel CDMOVIE. Aller dans le menu image puis série d’images et cliquer sur par nom de fichiers. Dans la fenêtre qui s’ouvre, faire défiler les films à l’aide de la flèche et choisir  : « BIFRFL.MOV ». Valider en cliquant sur OK. Visualiser la séquence vidéo, en cliquant sur cinéma dans la barre des menus puis quitter en cliquant sur la croix X se trouvant en haut à droite de la fenêtre vidéo.

Exploitation :

Le document 3 (en annexe) représente la trajectoire du centre d’inertie du chariot visualisé précédemment.

Remarque :

La durée entre deux points consécutifs est de 40 ms. Les distances sont mesurées directement sur le document sans tenir compte d’aucune échelle.

24 ) Définir le système, le référentiel, et faire un bilan des forces.

25 ) Déterminer les vitesses des points 1 et 6 et représenter les vecteurs vitesses pour ces deux positions (échelle : 1 cm pour 0,1 m/s).

26 ) Calculer ?V = V₆ – V₁.

27 ) Représenter sur le schéma (point 5) les forces appliquées au chariot (chaque vecteur force sera représenté avec une longueur de 2,0 cm).

28 ) On considère que le dernier point (numéro 9) est confondu avec l’axe des abscisses, alors que la position initiale du chariot est située au point 0. Déterminer alors la dénivellation h existant entre ces deux points et qui correspond à la hauteur atteinte par le chariot.

Remarque : données :

Masse du chariot :        m = 660 g

Intensité de la pesanteur :          g = 9,81 N/kg

29 ) Déterminer (expression et calcul) le travail de chacune des forces appliquées au chariot entre la position 0 et la position 9.

30 ) Calculer la somme W des travaux des forces.

31 ) Comparer ?V et W.

32 ) Comment qualifier le travail du poids du chariot ? Quel est son effet sur la vitesse de celui-ci ?