Physique et Chimie : Tronc Commun

Séance 10 (Équilibre d'un corps sous l'action de 3 forces)

 

 

Professeur : Mr EL GOUFIFA Jihad

 

Sommaire

 

I- Condition d’équilibre d’un solide soumis à trois forces

1-1/ Expérience

1-2/ Observations

1-3/ Relation entre les vecteurs forces

1-4/ Condition d’équilibre

II- Forces de frottement

2-1/ Expérience

2-2/ Angle de frottement - Coefficient de frottement

2-3/ Angle de frottement statique

III- Exercices

3-1/ Exercice 1

3-2/ Exercice 2

3-3/ Exercice 3

3-4/ Exercice 4

 


I- Condition d’équilibre d’un solide soumis à trois forces

 

1-1/ Expérience

Une plaque de polystyrène légère (de poids négligeable) est soumise à l’action de trois forces par
l’intermédiaire de trois fils tendus.

Trois dynamomètres mesurent ces forces.

 

 

1-2/ Observations

Les lignes d'action des trois forces se trouvent dans le même plan : on dit qu'elles sont coplanaires.

Les lignes d'action des trois forces se coupent en un même point : on dit qu'elles sont concourantes.

 

 

1-3/ Relation entre les vecteurs forces

Méthode graphique

En traçant le polygone des forces à une échelle choisie.

On place l’origine d’un des vecteurs à l’extrémité de l’autre vecteur et on complète le triangle.

La ligne polygonale des trois forces est fermée traduit graphiquement la relation vectorielle :

 F1→+F2→+F3→=0→ 

 

 

Méthode analytique (projection)

Dans un repère orthonormé déterminons les coordonnées de chaque force :

F1→F1x=3F1y=0 ; F2→F2x=-3F2y=4 ; F3→F3x=0F3y=-4

La projection des trois forces sur l’axe Ox et Oy donne :

F1x+F2x+F3x=0F1y+F2y+F3y=0

Donc, on a :

 F1→+F2→+F3→=0→ 

 

 

1-4/ Condition d’équilibre

Si un corps soumis à trois forces F1→, F2→ et F3→ est en équilibre :

  • Les trois forces sont coplanaires et concourantes.
  • La somme vectorielle des trois forces est nulle.
Remarques

La deuxième condition s’exprime par la relation vectorielle : F1→+F2→+F3→=0→

Cette condition d’équilibre peut-être facilement généralisée à un nombre quelconque de forces.

 

II- Forces de frottement

 

2-1/ Expérience

Sur une table horizontal, on place un corps (C) sur lequel on exerce une force F→ à l’aide d’un dynamomètre (D), comme l’indique la figure suivante :

On augmente successivement l’intensité de la force F→ jusqu’à ce que le corps (C) se mette en mouvement.

On constate le corps reste en équilibre tend que la force F est inférieure à une valeur minimale Fm.

 

 

2-2/ Angle de frottement - Coefficient de frottement

On constate que la réaction R→ exercée par la table n’est pas perpendiculaire à la surface de contact, elle forme un angle φ avec la normale qu’on appelle angle de frottement.

On peut décomposer la réaction R→ en deux composantes :

  • RN→ : La composante normale.
  • RT→ : La composante tangentielle qui s’appelle force de frottement f→.

On appelle le coefficient de frottement :

 k=tanφ=RTRN 

 

 

2-3/ Angle de frottement statique

Le corps (C) est en équilibre sous l’action de trois forces : F→, R→ et son poids P→.

À cause des frottements, le corps (C) reste en équilibre tant que la force F→ est intérieure à une valeur minimale Fm→.

  • F<Fm : le solide est en équilibre φ<φ0 tel que φ0 est l’angle de frottement statique.
  • F>Fm : le solide est en mouvement φ>φ0.

On définit le coefficient de l’angle statique k0 par la relation : k0=tanφ0

III- Exercices

 

3-1/ Exercice 1

Sur une route faisant un angle de 15° avec l'horizontale, une remorque de masse m=500kg est accrochée à l'arrière d'une voiture. L'ensemble est immobile comme l'indique le schéma suivant :

A est le point d'application de la force F→ exercée par la voiture sur la remorque, la valeur de cette force est égale à 1250N.

G est le centre de gravité de la remorque. On néglige les forces de frottements.

  1. Calculer la valeur P du poids de la remorque (on prendra g=10 N.kg-1 ).
  1. Donner les caractéristiques de la force F→ et du poids P→.
  1. Représenter le poids P→ et la force F→ (échelle: 1cm↔1000N).
  1. Quelle troisième force s’exerce sur la remorque ? Donner son point d’application, sa direction et son sens.
  1. La remorque étant en équilibre, construire la dynamique des forces et déterminer graphiquement la valeur de la troisième force.

 

 

3-2/ Exercice 2

Une sphère (S) homogène, de masse m=1,4Kg de rayon r=10cm et de centre O, est attachée en A à un mur vertical parfaitement lisse, par l’intermédiaire d’un fil fixé en un point B de sa surface.

La sphère repose en M contre le mur.

  1. Quelles sont les forces extérieur exerce sur la sphère ?
  1. Quelles relations existe-t-il entre ces forces à l’équilibre de la sphère ?
  1. En déduire que la droite AB passe par O.

Le fil AB a une longueur l=20cm.

  1. Calculer les intensités de la tension du fil et de la réaction du mur.

On prendra g=10N.Kg-1

 

 

3-3/ Exercice 3

Un câble (f1) et un ressort (R) sont fixés au plafond, et attachées à un anneau (de masse négligeable) qui support une charge (solide (S)) de masse m=500g, l'allongement du ressort est ΔL=5cm.

L’anneau est en équilibre. On prendra g=10N.Kg-1.

  1. Faire l’inventaire des forces appliquées à l’anneau.
  1. Représenter ces forces.
  1. Calculer K la raideur du ressort.
  1. Calculer T l'intensité de la force exercée par le fil.

 

 

3-4/ Exercice 4

Un solide (S) de masse m=200g est maintenu à l’équilibre sur un plan incliné parfaitement lisse d’inclinaison α=30° par rapport à l’horizontale par l’intermédiaire d’un ressort de masse négligeable, de constante de raideur k=40N.m-1 et allongé.

L’axe du ressort fait un angle θ=20° avec la ligne de la grande pente du plan incliné :

  1. Rappeler la condition d’équilibre d’un solide soumis à trois forces.

La tension du ressort est T→, la réaction normale de la grande pente du plan incliné est RN→, le poids du solide (S) est P→.

  1. Représenter les forces exercées sur le solide (S).
  1. Écrire la condition d'équilibre du solide (S).
  1. Déterminer les expressions des coordonnées de ces forces dans le repère orthonormé R(G,i→,j→).
  1. Exprimer l’allongement ΔL du ressort en fonction de m, g, θ, k et α.
  1. Calculer ΔL.

On donne : g=10N.kg-1