Fiche à trous · 4ème · Physique-Chimie

Mécanique — Forces et pression

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Une punaise s'enfonce dans un mur sous la simple pression d'un pouce ; le même pouce appuyé sur la tête plate ne fait rien. La force est pourtant identique. Ce qui change, c'est la surface sur laquelle elle s'applique — et c'est cette distinction entre force et pression qui explique aussi bien les raquettes à neige que les semelles des chameaux et la résistance d'un barrage.

Ce qu'est une force

Définition — force :

Le poids et la masse

Définition — poids et masse :

Règle

Exemple

Une personne a une masse de 60 kg. Calculer son poids sur Terre, puis sur la Lune.

Résultat :

Piège

Écrire « je pèse 60 kg » dans une réponse de physique, ou donner un poids en kilogrammes.

Associer une unité à chaque mot dès le brouillon : masse → kg, poids → N. Une réponse dont l'unité est fausse ne peut pas être juste.

L'équilibre des forces

Règle

Un objet immobile n'est donc pas un objet sur lequel rien ne s'exerce : c'est un objet sur lequel les actions se neutralisent. La distinction paraît subtile et elle décide de tout : elle explique pourquoi un livre posé sur une table n'écrase pas la table, et pourquoi il tombe dès qu'on la retire.

La pression

Définition — pression :

14.

Calculer une pression

Piège

Diviser par la surface totale de l'objet au lieu de la surface en contact.

Repasser au crayon la zone de contact sur le schéma avant de calculer. C'est elle, et rien d'autre, qui entre au dénominateur.

Dans un fluide — liquide ou gaz — la pression augmente avec la profondeur, parce que la colonne de fluide au-dessus pèse davantage. C'est ce qui impose aux plongeurs des paliers de remontée, ce qui fait qu'un barrage est plus épais à sa base qu'à son sommet, et ce qui explique que la pression atmosphérique diminue quand on monte en altitude.

Ai-je donné les quatre caractéristiques de la force, sans en oublier une ?
Masse → kg, poids → N : mes unités correspondent-elles à la grandeur ?
Ai-je employé la bonne intensité de pesanteur selon l'astre ?
Pour un équilibre, les deux forces ont-elles même droite, même valeur, sens opposés ?
Ma surface est-elle celle en contact, convertie en mètres carrés ?
Petite surface → grande pression : mon résultat va-t-il dans ce sens ?
Ai-je écrit l'unité — newton, kilogramme, pascal ?

Corrigé · à détacher

Mécanique — Forces et pression

1. Une force modélise une action mécanique exercée par un objet sur un autre. Elle se décrit par quatre caractéristiques, et une réponse qui en oublie une est incomplète : son point d'application, sa direction — la droite qui la porte —, son sens sur cette droite, et sa valeur, exprimée en newtons. On la représente par une flèche dont la longueur traduit la valeur.
2. Les quatre caractéristiques d'une force se lisent toutes sur la flèche qui la représente.
3. La masse est la quantité de matière d'un objet : elle se mesure en kilogrammes avec une balance, et elle ne change pas selon le lieu. Le poids est la force d'attraction exercée par un astre sur cet objet : il se mesure en newtons avec un dynamomètre, et il dépend de l'astre. Ce sont deux grandeurs différentes, avec deux unités différentes.
4. $P = m \times g$
5. Le coefficient $g$ s'appelle l'intensité de la pesanteur. Il vaut environ 9,8 N/kg à la surface de la Terre — souvent arrondi à 10 pour un calcul mental — et environ 1,6 N/kg sur la Lune. C'est lui, et lui seul, qui change d'un astre à l'autre : la masse d'un objet transporté sur la Lune reste la même, son poids y est six fois plus faible.
6. Sur Terre, avec une intensité de pesanteur de 9,8 N/kg :
7. Sur la Lune, avec 1,6 N/kg :
8. Le rapport entre les deux poids :
9. Sa masse est restée 60 kg dans les deux cas : c'est la même quantité de matière, attirée par un astre moins massif.
10. 588 N sur Terre, 96 N sur la Lune — pour une même masse de 60 kg
11. Deux forces se compensent lorsqu'elles ont la même droite d'action, la même valeur et des sens opposés. Un objet immobile posé sur une table est dans ce cas : son poids, dirigé vers le bas, est compensé par la réaction du support, dirigée vers le haut. Un objet dont les forces se compensent reste immobile ou poursuit un mouvement rectiligne uniforme — c'est le principe d'inertie, que la 3ᵉ reprendra.
12. La pression exercée par une force sur une surface est le quotient de la valeur de cette force par l'aire de la surface pressée. Elle s'exprime en pascals : un pascal correspond à une force d'un newton répartie sur un mètre carré. Une même force produit donc des pressions très différentes selon la surface sur laquelle elle s'applique.
13. $p = \frac{F}{S}$
14. Même poids, deux surfaces d'appui : c'est la pression qui change, pas la force.
15. Identifier la force pressante et la calculer si nécessaire — c'est souvent le poids.
16. Déterminer l'aire de la surface réellement en contact, et la convertir en mètres carrés.
17. Diviser la force par cette aire.
18. Contrôler le sens : diviser par une petite surface doit donner une grande pression.
19. Écrire le résultat en pascals, ou en kilopascals si le nombre devient encombrant.