Forces et pression
Objectifs
À la fin de ce chapitre, vous saurez :
• montrer qu'un solide transmet les forces qu'il subit ;
• définir une force pressante et une surface pressée ;
• définir et calculer une pression p = F/S, en pascals ;
• expliquer comment on obtient de fortes ou de faibles pressions dans la vie courante.
Prérequis : force, poids, équilibre, principe d'interaction, conversions d'aires.
Situation de départ
Dans le désert, un dromadaire de 500 kg marche sur le sable sans trop s'enfoncer, alors qu'une personne de 70 kg en chaussures de ville s'y enfonce. Pour couper du pain, on utilise le côté tranchant du couteau, pas le dos de la lame, même en appuyant aussi fort.
De quoi dépend l'enfoncement ? La force seule suffit-elle à l'expliquer ?
I. Les solides transmettent les forces
Un solide S est suspendu à un dynamomètre par un fil. Le dynamomètre indique la valeur du poids de S : pourtant la Terre attire S, pas le dynamomètre. Le solide transmet au fil, puis au dynamomètre, l'action de la Terre qu'il subit.
De même, une personne assise sur une chaise : la chaise transmet au sol le poids de la personne, par ses quatre pieds. Sur un sol sablonneux, les pieds de la chaise s'enfoncent.
Un solide transmet toute action, localisée ou répartie, qu'il subit, aux corps en contact avec lui.
II. La force pressante
Posons, sans appuyer, une brique sur du plâtre en poudre (ou du sable fin). Elle laisse une empreinte de même forme que sa face de contact, et de même profondeur partout. La brique transmet au plâtre son poids, mais cette action est répartie sur toute la surface de contact.
L'ensemble de ces actions réparties est équivalent à une seule force F, appelée force pressante. La surface de contact est la surface pressée.
La force pressante est perpendiculaire (normale) à la surface pressée et elle agit de façon uniforme sur toute cette surface. Pour un objet simplement posé sur un sol horizontal, sa valeur est égale à son poids.
III. La pression
1. Les facteurs de l'enfoncement
On compare la profondeur de l'empreinte dans trois cas :
• la brique posée sur sa grande face : empreinte peu profonde ;
• la même brique posée sur sa petite face (même force, surface plus petite) : empreinte plus profonde ;
• la brique sur sa petite face, avec une seconde brique dessus (même surface, force double) : empreinte encore plus profonde.
L'effet d'une force pressante augmente avec sa valeur et diminue quand la surface pressée augmente.
2. Définition de la pression
La pression p exercée par une force pressante de valeur F, répartie uniformément sur une surface pressée d'aire S, est :
Il faut convertir les surfaces en m2 : 1 cm2 = 10-4 m2 ; 1 mm2 = 10-6 m2. Le pascal est une petite unité ; on utilise aussi le bar (1 bar = 105 Pa), le millibar (1 mbar = 102 Pa) et l'hectopascal (1 hPa = 100 Pa = 1 mbar).
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