Présentation de la spécialité autour des mouvements et interactions

Dans ce cours, les profs Pauline et Lionel explorent le lien entre les actions mécaniques et le mouvement à partir de l'étude de l'activité ludique du ventriglisse !

Spécialité Seconde

Expérience modèle

Pour représenter le mouvement du ventriglisse, on a conçu une expérience modèle. L’action se déroule sur une table horizontale. Le glisseur est représenté par un objet violet. La prise d’élan est modélisée au moyen d’un fil tendu. Il exerce une force de traction sur le mobile. Ce fil est tendu par une masse lote. Cette masse lote va chuter sur une distance T avant de tomber sur un tabouret. Au moment où elle a atteint le tabouret, le fil se détend. Donc, il n’y a plus de force de traction exercée. La prise d’élan est terminée. Le point E marque la fin de la prise d’élan. Au de-là de ce point E, le mobile poursuit sa course. Cette expérience modèle permet d’étudier le lien entre une action mécanique et le mouvement.

Analyse du mouvement

On analyse le mouvement par le biais d’un pointage image par image. C’est l’équivalent d’une chronophotographie avec un repère. En observant le pointage, on remarque que le mouvement est rectiligne.

La distance entre les points augmente au fur et à mesure. Donc, la vitesse augmente. C’est un mouvement accéléré. Après le point E, c’est l’inverse. La distance entre les points diminue. C’est un mouvement ralenti.

Lien entre interactions et mouvement

Pourquoi le mouvement est-il ralenti au-delà de E lorsque la force de tractions ne s’exercent plus ?

Hypothèse :

• C’est précisément parce que rien ne pousse ou rien ne tire cet objet qu’il ralentit et qu’il s’arrête.
• Les frottements ralentissent l’objet lorsque la force de traction ne s’exerce plus.

Pour tester ces hypothèses, nous allons modifier les frottements sans rien modifier de la force exercée.

Effet du frottement

Pour modifier la valeur de la force de frottement, il me suffit de mouiller la table et la savonnette. Résultat : l’objet semble aller plus loin et moins ralentir. Pour comparer les deux, on utilise le pointage.  Les distances entre les points diminuent moins après le point E. Cela signifie que l’objet ralentit moins. Mais au niveau du point E, la vitesse acquise par l’objet semble plus importante sur table mouillée que sur table sèche.

Pour comparer ces deux mouvements, il nous faut une analyse un peu plus poussée : des outils de cinématique. Il va nous permettre de comparer la variation de vitesse entre une situation et l’autre.

Analyse fine du mouvement

Vecteur position et déplacement 

Au cycle 4 du collège, on a vu que la vitesse est la distance parcourue divisée par la durée du parcours. En Seconde, on voit que le vecteur vitesse moyenne est le quotient du vecteur déplacement divisé par la durée correspondante.

Vecteur vitesse moyenne 

Comment définissons la vitesse ? En faisant tendre cette durée delta T vers 0. Donc le vecteur vitesse moyenne, c’est le vecteur déplacement divisé par le temps delta T et le vecteur vitesse, c’est le vecteur déplacement divisé par le delta T qui tend vers 0. On va construire le vecteur variation de vitesse comme une différence de vecteur vitesse.

Variation du vecteur vitesse 

Le vecteur variation de vitesse varie moins sur table mouillée que sur table sèche. Cela indique que ce sont les frottements qui ralentissent l’objet. L’autre hypothèse indiquait que si l’objet ralentit au de-là de la prise d’élan, c’est justement parce que plus rien ne le pousse et plus rien ne le tire. Est-elle fausse ? Vérifions par une expérience sans frottements.

Une expérience sans frottements

Enlever tous frottements est compliqué à réaliser sur Terre. Mais, nous pouvons nous en approcher par une expérience au laboratoire. Elle consiste à utiliser un mobile relié à une pompe à air. Elle souffle de l’air en dessous du mobile et créer comme un coussin d’air. Les frottements entre le mobile et la table vont être fortement diminués. Résultat : le vecteur variation de vitesse ne varie plus. Les mouvements observés est donc un mouvement rectiligne et uniforme (à vitesse constante).

Lien entre sommes des forces exercées et variation de vitesse

Ce résultat est conforme au principe d’inertie, vu en Seconde :

« Un système modélisé par un point matériel, soumis à aucune force ou à des forces qui se compensent, est, soit au repos, soit en mouvement rectiligne et uniforme ».

Dans le cas de notre expérience, le mouvement est pratiquement rectiligne et uniforme. Le mobile est donc soumis à un ensemble de force qui se compense. Cela confirme que nous avons éliminé pratiquement tous les frottements. Le vecteur variation de vitesse est de même direction et de même sens que la somme des forces exercée.

Spécialité Première

Relation entre somme des forces exercées et variation de vitesse

Nous allons tester ce lien à travers le lancer franc de basket. Objectif : étudier la relation entre somme des forces et ce vecteur variation de vitesse.

La relation donné ici : pour un point matériel de masse M, la somme des forces qui s’exerce sur lui est reliée à m x delta V sur Delta T. On connaît déjà les liens entre direction et sens : direction et sens de la somme des forces ; direction et sens du vecteur delta V sur delta T. Mais, ici, ce lien concerne aussi les normes, c’est-à-dire les valeurs.

Pour tester ce lien, il faut tracer et calculer les vecteurs delta V sur delta T.

Confrontation simulation numérique et expérience

Ce vecteur semble constant, toujours égal à lui-même, en direction et en valeur. Dans cette simulation, seul la force du poids s’applique. Nous allons faire la même chose pour réaliser le pointage du ballon de basket. La somme des forces se réduit au poids. Nous avons la valeur de Delta V sur Delta T, il nous manque la valeur du poids.

Au vu des résultats, notre relation, dans le cas où seul le poids s’applique, est une égalité. Le poids est donc égal à la masse x Delta V sur delta T. En terminal, nous verrons que cette relation se généralise à la somme des forces = masse x le vecteur accélération. Et le vecteur accélération sera définit à partir du vecteur delta V sur delta T.

Il y a des écarts entre points expérimentaux et simulations. Les points expérimentaux sont toujours en retard par rapport à la simulation. La raison : le frottement de l’air a ralenti le ballon sur sa trajectoire.