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Étudier une force

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Objectifs
  • Mesurer la valeur d’une force.
  • Dresser le tableau des caractéristiques d’une force extérieure agissant sur un solide.
  • Tracer une force connaissant ses caractéristiques.
Points clés
  • Une force modélise une action mécanique par une flèche. Une force est nécessairement ponctuelle.
  • Les quatre caractéristiques d’une force sont :
    • le point d’application ;
    • la droite d’action (ou direction) ;
    • le sens ;
    • l’intensité.
  • On répertorie ces 4 caractéristiques dans un tableau de caractéristiques.
  • Pour tracer la force, il faut respecter une échelle.
Pour bien comprendre

Les actions mécaniques

1. Notion de force
Exemple 
La corde exerce une action mécanique sur le traineau.

Comment peut-on matérialiser cette action mécanique sur le dessin ?

Pour connaitre parfaitement l’action mécanique, il faut identifier 4 caractéristiques :

Son point d’application :
c’est le point où s’exerce l’action.
Dans notre exemple, il s’agit du point de contact entre la corde et le traineau. On choisit de le noter M.
Sa droite d’action (ou direction) :
c’est la droite qui indique l’orientation de l’action mécanique.
Remarque 
La droite d’action passe nécessairement par le point d’application.
Son sens :
C’est une flèche sur la droite d’action qui indique le sens de l’action.
Ici, l’action s’exerce vers la droite.
Son intensité :
Pour déterminer si une action mécanique est plus ou moins forte, on la mesure en newton (N) avec un dynamomètre.
Ici, on mesure une intensité de 300 N.

On constate que pour matérialiser l’action mécanique, il suffit d’utiliser ces 4 caractéristiques pour tracer une flèche, appelée force ou vecteur force :

  1. Le début de la flèche est le point d’application.
  2. On trace la flèche sur la droite d’action dans le sens de l’action mécanique.
  3. La longueur de la force est proportionnelle à l’intensité de l’action mécanique. Pour cela, on utilise une échelle.
Ci-dessous, on a tracé la force  exercée par la corde sur le traineau grâce à l’échelle qui nous indique la longueur correspondante à 100 N.
Comme l’échelle est de 1 cm pour 100 N, la flèche mesure 3 cm pour représenter 300 N.
 est la force exercée par la corde sur le traineau
Une force modélise une action mécanique exercée par un objet sur un autre objet.
Une force est modélisée par un vecteur (flèche).

Une force est nécessairement ponctuelle puisqu’elle a un point d’application.

Remarque 
Un vecteur est un élément géométrique défini par trois composantes (direction, sens et longueur).
2. Représentation et tableau de caractéristiques d'une force

Les 4 caractéristiques d’une force peuvent être répertoriées dans un tableau de caractéristiques :

Point d'application Droite d'action (ou direction) Sens Intensité
On indique le nom du point où s’exerce la force. On trace un segment de même direction que la droite d’action de la force. On trace une flèche de même sens que celle de la force étudiée. On trace une flèche dont la longueur correspond à l'échelle utilisée.
Exemple 1 : tracer une force connaissant ses caractéristiques.
Une force  de 60 N exercée par une main sur une corde.
La main droite exerce une force sur la corde
Le tableau des caractéristiques de la force de 60 N qu’exerce la main sur la corde est le suivant :
Point d'application Droite d'action (ou direction) Sens Intensité
M oblique vers la gauche 60 N
Pour représenter la force à l’échelle de 1 cm pour 10 N, on trace une flèche qui part de M dirigée vers la gauche suivant la droite d’action et qui mesure 6 cm pour représenter 60 N.
Force de 60 N qu’exerce une main sur la corde de l’arc
Exemple 2
Dresser le tableau des caractéristiques d’une force extérieure agissant sur un solide.
Sur la figure ci-dessous est représentée la force exercée par un aimant sur une bille d’acier.
Remarque 
L’action mécanique de l’aimant est répartie sur toute la bille. Cependant, la force doit être ponctuelle. Par convention, on fait appliquer la force au centre de la bille.
Force exercée par un aimant sur une bille en acier
L’aimant attire la bille d’acier, la droite d’action de la force est donc horizontale et son sens est vers la droite.
La flèche mesure 4 cm.
D’après l’échelle, 1 cm correspond à 2 N donc 4 cm correspond à 4 × 2 = 8 N.
L’intensité de la force est de 8 N.

Le tableau des caractéristiques de la force qu’exerce l’aimant sur la bille d’acier est donc le suivant :
 Point d'application Droite d'action (ou direction) Sens Intensité 
 G horizontal vers la droite  8 N

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