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mercredi 22 novembre 2017
icar Vesion anglaise

THEME: L’Univers en mouvement et le temps
  -  Seconde (Seconde (prog. 2010) )  -  Physique

Activité 6: Frottements dus à un fluide et frottements dus à un solide

 
A- Frottements dus à un fluide
On s'intéresse maintenant à l'action de l'air sur des objets en mouvement dans l'air.

1) En reprenant la situation du médecine-ball lancé vers le haut, indiquer le sens de la force exercée par l'air sur le MB :

- pendant la montée du MB ;

- pendant la descente du MB.

On reprend la situation décrite dans l'activité 3 (lancer d'une balle dans l'air).

2) En vous appuyant sur votre expérience de la vie quotidienne, indiquer par une ou deux phrases la direction et le sens de la force exercée par l'air sur la balle.

3) En accord avec votre réponse à la question précédente, représenter la force exercée par l'air sur la balle sur le schéma ci-dessous. Sur ce schéma on a choisi de représenter la position du centre de la balle à un instant donné et la trajectoire du centre de la balle.

4) Vérifier que votre prévision est cohérente avec ce qui a été programmé dans le logiciel Interactive Physics, grâce au fichier proposé par le professeur (fichier balle_air.ip).

5) Vérifier que les réponses précédentes sont cohérentes avec le § A du modèle des frottements que le professeur vous distribue.

B- Frottements dus à un solide

On considère maintenant un objet relativement lourd (par exemple un support comme celui utilisé pour pierre-élastique) posé sur une planche.

 Dans un premier temps, on laisse la planche horizontale.

Essayer, sans forcer, de faire glisser cet objet sur la planche en exerçant une action horizontale, l'objet ne bougeant pas.

1) Faire le diagramme système-interaction.

2) Les forces exercées sur l'objet se compensent-elles ?

3) En déduire un schéma des forces exercées sur l'objet.

4) Qu'est-ce qui indique dans le schéma précédent qu'il y a "des frottements entre la planche et l'objet" ?

5) D'après vous, si on pousse plus fort, suffisamment pour déplacer l'objet, y a-t-il toujours des frottements entre la planche et l'objet ?

6) Pourquoi est-il équivalent de dire dans le cas d'un objet se déplaçant sur un support horizontal :

- le poids et la force exercée par le support sont toutes les deux verticales ;

- les frottements sont négligés.


 On étudie maintenant la situation où l'on n'exerce pas d'action sur l'objet mais on incline légèrement la planche (suffisamment peu pour que l'objet ne glisse pas).

1) Faire le diagramme système-interaction.

2) Les forces exercées sur l'objet se compensent-elles ?

3) En déduire un schéma des forces exercées sur l'objet.

4) Qu'est-ce qui indique dans le schéma précédent qu'il y a "des frottements entre la planche et l'objet" ?

5) A partir de ces deux situations, proposer une caractéristique générale de la force exercée par un support sur un système posé sur ce support lorsqu'on décide de tenir compte des frottements. En accord avec le professeur compléter le § B du modèle.

But: Frottements dus à un fluide et frottements dus à un solide

Dans de très nombreux exercices de seconde, on peut tenir compte ou non des frottements. Le choix est souvent fait par le concepteur de l'exercice ou le professeur à partir de connaissances qui restent implicites (et dont les élèves ne disposent pas forcément).
Il nous semble que nous pouvons, dans le cadre du programme de seconde, aider les élèves à modéliser les frottements, ce qui constituera une aide pour analyser la plupart des situations proposées. Quant on demande de "négliger les frottements", seul le physicien voit immédiatement ce que cela implique quand aux forces. De plus, "négliger les frottements" ne conduit pas aux mêmes modification des forces si les frottements sont dus à un fluide ou à un solide : dans le 1er cas, c'est l'action tout entière du fluide qui est éliminée, dans le 2nd c'est une des composantes de cette action qui est éliminée. Cette activité vise donc, en utilisant le principe d'inertie, à aider les élèves à comprendre comment le physicien modélise les frottements dans le cadre du modèle des interactions.

Préparation: Frottements dus à un fluide et frottements dus à un solide

Cette activité dépasse le cadre strict du programme de 2nde. Elle n'est donc pas obligatoire mais les propositions d'exercices de cette partie supposent qu'elle a été faite par les élèves.
Le modèle des frottements doit être donné sur une feuille séparée du modèle des lois de la mécanique ; il doit être distribué aux élèves à la fin de la partie A de l'activité.
Pour la partie A, il est conseillé de faire utiliser Interactive Physics aux élèves.
Pour la partie B, il faut disposer d'un objet suffisamment lourd qui frotte beaucoup sur la planche pour que la perception des actions par les élèves soit favorisée (en particulier l'élève doit sentir qu'il agit même lorsque l'objet est immobile). La potence ayant servi à l'expérience pierre-élastique convient mais tout objet massique également (une bobine, un rhéostat…). Il est important de poser cet objet sur une planche en bois pour pouvoir incliner le support. Les frottements doivent être suffisants pour que l'objet reste immobile sur la planche même avec une inclinaison nettement observable.

Savoir: Frottements dus à un fluide et frottements dus à un solide

Dans le cas des frottements solide, le choix de modélisation des actions (à une interaction correspond une seule force sur le système considéré) impose de ne pas parler, dans le cadre de la seconde, de force de frottements. Entre une situation où l'on néglige les frottements et une situation où on les garde, la direction de la force exercée par le support change. Ce qu'on appelle la force de frottements s'apparente, dans le cadre du modèle utilisé, à la composante tangentielle de la force exercée par le support. Ceci ne veut pas dire qu'il serait faux de décrire par deux forces l'action du support ("réaction" et "frottements") comme il est souvent fait mais ceci ne serait pas en cohérence avec le modèle des interactions de la classe de seconde. Cette règle de modélisation (à une interaction une force) sera d'ailleurs abandonnée par la suite (en TS par exemple, on décrit bien l'action de l'air par la poussée d'Archimède et une force de frottements) mais ce changement de point de vue sera justifiée.

Corrigé: Frottements dus à un fluide et frottements dus à un solide

 

A- Frottements dus à un fluide
1) pendant la montée du MB : force vers le bas
pendant la descente du MB : force vers le haut.
2) L'air s'oppose au déplacement (impression que l'on a en faisant du vélo par exemple) : la direction de la force exercée par l'air sur la balle est celle du mouvement et son sens est opposé au sens du mouvement.
3)


4) La force indiquée par le logiciel est bien tangente à la trajectoire et de sens opposé à celui du mouvement

B- Frottements dus à un solide
 Dans un premier temps, on laisse la planche horizontale.
Essayer, sans forcer, de faire glisser cet objet sur la planche en exerçant une action horizontale, le support ne bougeant pas.
1)


2) D'après le modèle des lois de la mécanique (énoncé A1) les forces exercées sur l'objet se compensent car l'objet est immobile.
3)


4
)C 'est le fait que la force de la planche sur l'objet ne soit pas verticale qui indique qu'il y a "des frottements entre la planche et l'objet". Cette force a une composante horizontale qui compense la force de la main sur l'objet.

5) Oui il y a toujours des frottements entre la planche et l'objet, même lorsque l'objet glisse.
6) C'est la composante non verticale de la force du support sur l'objet qui rend compte des frottements : si cette force est décrite verticale c'est qu'on a négligé les frottements.
 situation où l'on incline légèrement la planche.
1) diagramme système-interaction.

2) D'après le modèle des lois de la mécanique (énoncé A1) les forces exercées sur l'objet se compensent car l'objet est immobile.

3)