Forces appliquées et variation de la vitesse

D’après le principe d’inertie, si les forces qui s’appliquent sur un système ne se compensent pas alors il n’est pas immobile et son mouvement n’est pas rectiligne uniforme, donc son vecteur vitesse varie.

I Forces qui ne se compensent pas

Lorsque les forces ne se compensent pas, elles produisent une variation du vecteur vitesse du système : la vitesse varie en direction, en valeur ou les deux.

Le vecteur vitesse varie dans la même direction et dans le même sens que la résultante des forces qui s’exercent sur le système.

Exemple : Le scooter et son conducteur sont soumis à trois forces : le poids $\overrightarrow{P}$, la force exercée sur la roue arrière $\overrightarrow{F_1}$ et celle exercée sur la roue avant $\overrightarrow{F_2}$. Ces forces ne se compensent pas et leur somme vectorielle notée $\overrightarrow{F}$ est horizontale et dirigée vers l’avant. La vitesse augmente donc vers l’avant : le mouvement est accéléré.

Repère
À noter

La résultante des forces est déterminée par la somme vectorielle obtenue en plaçant bout à bout les différents vecteurs forces.

II Exemple de la chute libre

On dit qu’un système est en mouvement de chute libre s’il est soumis uniquement à l’action de son poids. Le mouvement de chute libre correspond à une situation idéale car les autres forces doivent être négligeables.

Dans le cas d’une chute libre verticale (ci-contre), le poids est la seule force appliquée au système en mouvement, donc la vitesse varie pendant la chute.

Le poids étant vertical et vers le bas, il entraîne une variation de la vitesse suivant la verticale et vers le bas. Ainsi, comme le montre la figure ci-contre, la balle en chute libre voit sa vitesse augmenter progressivement vers le bas sous l’action de son poids qui reste constant.

Repère
À noter

Un mouvement de chute libre peut aussi être parabolique si la vitesse initiale n’est pas verticale.

MéthodeRelier la variation du vecteur vitesse aux forces appliquées

Une bille est posée sans vitesse initiale sur une glissière inclinée puis horizontale. La force exercée par la glissière sur la bille est perpendiculaire au déplacement. L’enregistrement vidéo met en évidence deux phases dans le mouvement de la bille : une phase accélérée suivie d’un mouvement uniforme.

Les valeurs des vitesses sont : v7 = 1,2 m · s^–1, v11 = 1,7 m · s^–1 et

v13 = v17 = 1,8 m · s^–1 aux points B7, B11, B13 et B17, respectivement.

a. Représenter les vecteurs vitesse aux points B7, B11, B13 et B17.

b. Nommer les deux principales forces qui s’exercent sur la bille et qui sont représentées sur la figure ci-dessus.

c. Interpréter les mouvements observés en comparant les variations de vitesse à la somme des forces mises en jeu.

Repère
Conseils

a. Choisissez une échelle simple et veillez à la direction et au sens des vecteurs.

b. On néglige l’action de l’air.

c. Analysez les variations de vitesse entre les points B7 et B11 puis entre B13 et B17.

Solution

a. Échelle choisie : 1 cm pour 1 m · s^–1.

b. Les deux forces sont le poids $\overrightarrow{P}$ de la bille et la force $\overrightarrow{R}$ exercée par la glissière.

c. Entre B7 et B11, la vitesse augmente car les forces ne se compensent pas. Entre B13 et B17, elle est constante car les forces se compensent.