Forces et équilibre | 2nde Bac Pro | Physique-Chimie
Pour identifier les forces exercées sur un solide, on recense toutes les interactions entre ce solide et son environnement :
Rappel : \(P = m \times g\) avec \(g = 9{,}81\ \text{N/kg} \approx 10\ \text{N/kg}\) et \(m\) en kg.
Un panneau de menuiserie de masse 12 kg est posé à plat sur une table horizontale.
Un électricien suspend un luminaire de masse 2,5 kg à un câble accroché au plafond.
Une caisse d'outils de masse 8 kg est posée sur un plan incliné à 30° par rapport à l'horizontale. Elle ne glisse pas.
Un menuisier agenceur tire une lame de parquet de masse 0,5 kg à l'aide d'une corde faisant un angle de 20° avec l'horizontale, sur un sol plat. La lame glisse sans frottement.
Une force est représentée par un vecteur caractérisé par 4 éléments :
Notation : \(\vec{F}\) est le vecteur force, et \(F = \|\vec{F}\|\) est sa norme en Newtons (N).
Un technicien applique une force horizontale de 60 N vers la droite sur une caisse posée sur le sol.
En utilisant l'échelle 1 cm ↔ 20 N, décrire précisément le vecteur représentant cette force (point d'application, direction, sens, longueur).
Une poutre de masse 50 kg est suspendue à un câble vertical.
Un menuisier exerce une poussée oblique à 30° au-dessus de l'horizontale, d'intensité 80 N, sur un meuble.
Deux forces horizontales et opposées s'exercent sur un bloc : \(\vec{F_1}\) de 40 N vers la droite et \(\vec{F_2}\) de 40 N vers la gauche. Elles s'appliquent toutes les deux au centre du bloc.
Un solide est en équilibre (immobile ou en mouvement rectiligne uniforme) si et seulement si la somme vectorielle de toutes les forces qui lui sont appliquées est nulle :
\[\sum \vec{F} = \vec{0}\]
Pour un solide soumis à deux forces : équilibre si les deux forces sont opposées, colinéaires et de même norme.
Pour un solide soumis à trois forces coplanaires : équilibre si les trois forces sont concourantes (passent par un même point) et si la somme vectorielle est nulle.
Un panneau de 15 kg est posé sur une table horizontale sans frottement ni mouvement.
Un faux-plafond de masse 20 kg est maintenu à l'équilibre par deux câbles, un de chaque côté, qui exercent chacun la même tension verticale vers le haut.
Un ébéniste pousse horizontalement une armoire de masse 60 kg avec une force de 80 N vers la droite. L'armoire reste immobile.
Une caisse de 25 kg est suspendue par deux câbles qui forment chacun un angle de 60° avec la verticale. Le système est en équilibre. En considérant uniquement les composantes verticales :
Le principe des actions réciproques (3e loi de Newton) stipule que :
Si un objet A exerce une force \(\vec{F}_{A/B}\) sur un objet B, alors B exerce sur A une force \(\vec{F}_{B/A}\) telle que :
\[\vec{F}_{B/A} = -\vec{F}_{A/B}\]
Les deux forces sont de même norme, de même direction, de sens opposés, et s'appliquent sur deux objets différents.
Un menuisier appuie avec sa main sur une paroi avec une force de 30 N horizontalement vers la droite.
La Terre exerce sur un meuble de masse 40 kg une force appelée poids \(\vec{P}\) de 400 N vers le bas.
Un électricien pose une boîte de jonction de masse 0,8 kg sur un rail DIN. La boîte est à l'équilibre.
Lors d'une démonstration, un installateur de pompes à chaleur percute avec un marteau un clou dans le mur avec une force de 150 N.
Un ébéniste accroche un tableau de masse 4 kg à un clou unique fixé dans un mur. La corde forme deux segments symétriques faisant chacun 45° avec l'horizontale.
Un technicien de maintenance pose une caisse de masse 30 kg sur un plan horizontal sans frottement. Il exerce une poussée horizontale de 50 N vers la droite.
Un portique de chantier permet de soulever des matériaux de masse 500 kg à l'aide d'un câble vertical. Le câble est à l'arrêt (le chargement est suspendu et immobile).
Un poteau de clôture de masse 25 kg est maintenu en position verticale par deux câbles horizontaux symétriques. Chaque câble exerce une tension de 80 N sur le poteau. Le poteau est à l'équilibre.