Physique · 2ème ScThème 2 : Forces, mouvements, pression · Chapitre 1

Systèmes et interactions mécaniques

Objectifs

À la fin de ce chapitre, vous saurez :
• distinguer un corps solide (indéformable) d'un corps déformable ;
• reconnaître un point matériel et définir un système matériel ;
• déterminer le centre d'inertie d'un solide de forme simple ;
• distinguer les forces intérieures et les forces extérieures à un système ;
• établir le bilan des forces extérieures qui agissent sur un système, à l'aide d'un diagramme des interactions.
Prérequis : représentation d'une force par un vecteur, poids P = m.g, principe des actions réciproques.

Situation de départ

Une voiture tire une caravane avec une barre d'attelage. D'après le principe des actions réciproques, la caravane tire la voiture vers l'arrière avec une force de même valeur que celle avec laquelle la voiture la tire vers l'avant.
Ces deux forces se compensent-elles ? Pourquoi alors l'ensemble peut-il démarrer ? La réponse dépend de ce que l'on choisit d'étudier : la caravane seule, la voiture seule, ou les deux ensemble.

I. Corps et systèmes matériels

1. Corps solides et corps déformables

Une bille d'acier, un caillou ou une bouteille en verre gardent leur forme : ce sont des corps solides, ou indéformables. Un ressort, un élastique, une balle de mousse, un tas de sable ou une boule de pâte à modeler changent de forme sous l'effet d'actions extérieures : ce sont des corps déformables.

Les corps déformables

TypeCe qui se passe quand l'action cesseExemples
élastiquele corps reprend sa forme initialeressort, élastique, balle, tremplin de plongeoir
plastiquele corps garde sa déformationpâte à modeler, tas de sable, argile
Liquides et gaz

Un liquide ou un gaz contenu dans un récipient prend la forme du récipient : c'est un corps déformable.

2. Le point matériel

Un avion de ligne de 70 m d'envergure vole entre Tunis et Paris, à 1500 km de distance. Sur une carte où 1 cm représente 100 km, l'avion serait un point de moins d'un millième de millimètre : on ne s'intéresse plus à sa forme ni à son orientation, on le représente par un point doté de sa masse.
Dans son hangar, au contraire, le même avion ne peut pas être réduit à un point : ses dimensions ne sont pas négligeables devant celles du hangar.

À retenir

Un point matériel est un corps dont les dimensions sont très petites devant celles de l'espace dans lequel il se déplace. On le représente par un point géométrique, confondu avec son centre d'inertie, qui possède la masse du corps. Son poids P = m.g est appliqué en ce point.

Une notion relative

Un même corps peut être un point matériel dans une étude et pas dans une autre : la Terre est un point matériel dans son mouvement autour du Soleil, mais pas pour étudier sa rotation sur elle-même ; un sauteur en hauteur qui franchit la barre n'est pas un point matériel.

3. Systèmes matériels

Un morceau de sucre est un assemblage de grains, un nuage un ensemble de gouttelettes, une galaxie un ensemble d'étoiles. Pour étudier un phénomène, on choisit librement la partie de l'Univers qui nous intéresse.
Un système matériel (ou système mécanique) est un ensemble bien délimité de points matériels ou de corps. On le note entre accolades : S = {caravane, voiture}. Tout ce qui n'appartient pas au système constitue l'extérieur.

Systèmes indéformables et déformables

SystèmeDéfinitionExemples
indéformable (solide)la distance entre deux points quelconques du système ne change pasbille d'acier, cadre d'un vélo, règle en métal
déformableau moins deux points du système peuvent changer de distanceressort, bicyclette (pédales et roues), deux patineurs, système solaire
Le solide est un modèle

Le solide parfait n'existe pas : une bille d'acier posée sur une table s'aplatit très légèrement, une jante de vélo se déforme un peu à chaque tour. On appelle solide un corps dont on néglige ces petites déformations.

Masse et poids d'un système : la masse M d'un système est la somme des masses de ses parties :

M = m1 + m2 + ... + mn
Son poids, somme des poids de ses parties, est P = M.g ; il est appliqué en un point particulier, le centre d'inertie G du système.

Exemple

Un cartable de 1,2 kg contient des livres (2,5 kg) et une trousse (0,3 kg). Le système S = {cartable, livres, trousse} a pour masse M = 1,2 + 2,5 + 0,3 = 4,0 kg et pour poids P = M.g = 4,0 × 10 = 40 N (avec g = 10 N/kg).

II. Le centre d'inertie

1. Centre d'inertie de deux boules

On fixe deux boules de masses m1 et m2 aux extrémités A et B d'une paille légère, puis on soulève l'ensemble avec un fil. L'ensemble ne reste horizontal que si le fil est accroché en un point bien précis G, le centre d'inertie du système. G est plus proche de la boule la plus lourde, et l'on vérifie :

m1.AG = m2.GB

Animation
À retenir

Le centre d'inertie G d'un système est le barycentre des points matériels qui le constituent, chacun étant affecté de sa masse. Pour deux masses : m1.AG = m2.GB, soit AG = m2m1 + m2.AB.

Exemple

Un haltère est formé de deux disques de 4 kg et 1 kg dont les centres sont distants de AB = 50 cm (on néglige la masse de la barre). AG = 14 + 1 × 50 = 10 cm : G est à 10 cm du disque le plus lourd.

2. Solides homogènes de forme simple

Un solide est homogène si sa masse volumique est la même en tout point. Si sa forme possède un élément de symétrie (axe, plan ou centre de symétrie), les points matériels se répartissent par paires symétriques de même masse : le centre d'inertie appartient à cet élément de symétrie.

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