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Vidéo de la leçon : Première loi de Newton sur le mouvement Physique

Dans cette vidéo, nous allons apprendre à utiliser la première loi de Newton et à l’appliquer à des objets immobiles, ainsi qu’à des objets se déplaçant à une vitesse constante.

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Transcription de vidéo

Dans cette vidéo, nous allons discuter de la première loi de Newton sur le mouvement. C’est l’une des trois lois célèbres d’Isaac Newton qui constitue la pierre angulaire de la physique classique. Mais avant de regarder un énoncé de la première loi, imaginons le scénario suivant.

Disons que nous avons un ballon et que ce ballon a une masse, que nous appellerons 𝑚, d’un kilogramme. Pour l’instant, le ballon reste juste ici. Il est stationnaire; il ne bouge pas. Mais disons simplement que quelqu’un vient et pousse le ballon de gauche à droite. En d’autres termes, la main de cette personne exerce une force sur le ballon. Nous pouvons représenter la force que la personne exerce sur le ballon avec une flèche agissant sur le ballon vers la droite. Par convention, la grandeur ou l’intensité d’une force est le plus souvent mesurée dans une unité appelée newton. Alors disons que la personne exerce une force d’un newton sur le ballon.

Dans ce scénario, que se passe-t-il maintenant avec notre ballon? Eh bien, intuitivement, on pourrait penser que le ballon commence à bouger. Après tout, quelqu’un l’a poussé de gauche à droite. Nous pensons donc que le ballon se déplacera vers la droite, et c’est correct. Nous verrons dans un instant exactement comment le ballon se déplace : c’est-à-dire à quelle vitesse il accélère. Mais ce que nous pouvons affirmer ici c’est le fait que le ballon commence à se déplacer vers la droite alors qu’il était stationnaire au départ. Et tout cela à cause de la force exercée par cette personne sur le ballon.

Bon, imaginons une fois de plus le même ballon, le ballon a une masse d’un kilogramme, et il est initialement stationnaire, comme avant. Maintenant, au lieu d’avoir une seule personne qui exerce une force sur notre ballon, voyons ce qui se passe lorsque deux personnes exercent une force sur le ballon, en particulier lorsqu’une personne exerce une force sur le ballon vers la droite et que l’autre personne exerce une force sur le ballon vers la gauche. Il est important dans ce scénario de supposer que la force exercée vers la droite est d’un newton, et la force exercée vers la gauche est également d’un newton.

En d’autres termes, les deux personnes poussant le ballon le poussent avec la même amplitude ou la même intensité de force. Ils poussent juste dans des directions opposées parce qu’il semble que cette personne va pousser le ballon encore une fois vers la droite, comme nous l’avons vu ici. Mais cette personne dessinée en bleu a décidé de l’en empêcher en exerçant une force dans la direction opposée de la même intensité. Dans cette situation, la force exercée vers la droite est exactement annulée par la force exercée vers la gauche. Elles ont toutes les deux la même valeur d’un newton.

Est-ce que c’est efficace pour maintenir le ballon immobile exactement là où il se trouve? Eh bien, c’est là que la première loi de Newton sur le mouvement peut entrer en ligne de compte. La première loi de Newton sur le mouvement nous dit qu’un objet au repos restera au repos. Et un objet se déplaçant avec une vitesse constante continuera à se déplacer à cette vitesse à moins qu’il ne soit soumis à une force non équilibrée. C’est beaucoup d’informations à la fois. Décomposons donc cette phrase. La première partie de la phrase parle d’un objet au repos. Cela signifie qu’il s’agit d’un objet initialement stationnaire, tout comme le ballon dont nous parlions ici. Et cette loi dit que l’objet au repos restera au repos. Et nous allons ignorer la partie sur la vitesse constante pour le moment. Notre objet restera donc au repos à moins qu’il ne soit soumis une force non équilibrée.

Maintenant, que voulons-nous dire par force non équilibrée? Eh bien, une force non équilibrée est simplement une force qui n’est pas équilibrée par d’autres forces. C’est quand les forces agissant sur un objet ne s’annulent pas complètement. Dans le premier scénario que nous avons envisagé, nous avions une main exerçant une force d’un newton vers la droite sur notre ballon. Et cette force d’un newton n’a pas été neutralisée par d’autres forces. Par conséquent, cette force d’un newton est en effet une force non équilibrée. Il convient de noter, cependant, qu’une force non équilibrée ne doit pas nécessairement être une force agissant sur un objet. Nous pourrions, par exemple, avoir beaucoup de forces agissant sur notre objet.

Dans ce cas, nous avons montré trois forces agissant toutes vers la droite. Et l’effet net ou global de ces trois forces agissant ensemble, nous pouvons l’appeler la force nette sur le ballon, est ici égale à une très grande force agissant vers la droite qui a une intensité égale à l’intensité des trois forces roses additionnées. Et même cette force nette est une force non équilibrée car il n’y a pas d’autre force agissant dans la direction opposée pour l’équilibrer complètement ou pour la contrer. Donc, si notre objet subit une force non équilibrée, alors l’objet ne restera pas au repos. C’est ce que nous dit la première loi de Newton sur le mouvement.

Et rappelez-vous, l’objet dans ce scénario particulier, notre ballon, était initialement au repos. Donc, il a commencé à l’arrêt et ensuite nous avons exercé une force nette, et le ballon a commencé à se déplacer. Il cesse d’être au repos. Plus précisément, il accélère ou modifie la vitesse dans la direction de la force nette. Et comme nous l’avons vu avec ce ballon ici, lorsque nous l’avons poussé vers la droite, le ballon a commencé à se déplacer vers la droite.

Cependant, si nous considérons maintenant notre ballon qui était initialement stationnaire et que nous exerçons une autre force sur celui-ci qui s’oppose exactement la première force à droite - disons que la force à droite a une intensité d’un newton et la force à gauche a aussi a une intensité d’un newton, un peu comme ce scénario ici - alors l’effet net ou global de ces deux forces combinées, la force d’un newton à droite et la force d’un newton à gauche, est comme si le ballon ne subissait aucune force.

Nous décrivons cela en disant que la force nette ou résultante sur notre objet est égale à zéro. Et c’est à ce moment que les forces sur le ballon sont équilibrées. La force d’un newton à droite est complètement équilibrée par la force d’un newton à gauche ou, en d’autres termes, annulée complètement parce que ces deux forces ont la même intensité, mais elles agissent dans des directions opposées. Donc, parce que les forces sur notre ballon sont équilibrées, la première loi de mouvement de Newton nous dit que le ballon qui était initialement au repos continue à rester au repos. En d’autres termes, il ne va pas commencer à se déplacer dans une direction particulière.

Donc, pour ce scénario ici, où nous avions un ballon qui était initialement stationnaire - et nous avions deux personnes exerçant une force sur notre ballon, une à droite et une à gauche, et ces forces étaient exactement de la même intensité mais agissaient dans des directions opposées - nous pouvons dire qu’aucune force non équilibrée n’agissait sur notre ballon. Toutes les forces agissant sur le ballon étaient équilibrées. Et par conséquent, le ballon initialement au repos continue à rester au repos. Nous avons donc vu qu’un objet initialement stationnaire continue de rester stationnaire si les forces agissant sur lui sont équilibrées. Et si une force non équilibrée agit sur cet objet initialement stationnaire, l’objet accélère. Il cesse d’être stationnaire.

La manière dont une force non équilibrée affecte l’accélération d’un objet est en fait donnée par la deuxième loi de Newton sur le mouvement, qui nous dit que la force nette non équilibrée sur un objet est égale à la masse de l’objet multipliée par l’accélération qu’il subit dans la direction de la force non équilibrée. Cependant, nous nous concentrons ici sur la première loi de Newton sur le mouvement. Et il y a un scénario que nous n’avons pas encore envisagé. Plus précisément, la première loi de Newton sur le mouvement parle d’un objet se déplaçant initialement avec une vitesse constante.

Alors imaginons encore une fois nos deux ballons roses, sauf que cette fois le ballon du haut se déplace d’abord avec une vitesse vers la droite, que nous appellerons 𝑣. Et disons que cette vitesse 𝑣 est égale à un mètre par seconde. Donc, ce ballon s’occupe de ses propres affaires, se déplace vers la droite à une vitesse constante, puis nous arrivons et exerçons une force vers la droite sur ce ballon d’une intensité d’un newton. Maintenant, comme nous l’avons déjà vu, c’est une force non équilibrée. Et la première loi de Newton sur le mouvement stipule qu’un objet se déplaçant initialement avec une vitesse constante continue de se déplacer à une vitesse constante, à moins qu’il ne soit soumis à une force non équilibrée.

Maintenant, dans ce scénario, nous avons une force non équilibrée agissant sur notre objet. Par conséquent, un ballon ne continuera plus à se déplacer avec cette vitesse constante d’un mètre par seconde. En fait, le ballon va accélérer dans la direction de la force non équilibrée, telle que définie par la deuxième loi de Newton sur le mouvement, que nous avons vu un peu plus tôt. On peut donc dire qu’exercer une force d’un newton vers la droite sur notre ballon, qui se déplaçait initialement à un mètre par seconde vers la droite, fait en sorte que le ballon accélère ou gagne de la vitesse dans la direction de la force non équilibrée.

Donc, dans ce cas particulier, notre ballon, plus tard, aura une vitesse vers la droite qui est supérieure à un mètre par seconde en raison de la force que nous avons exercée sur elle. Cependant, si nous devions plutôt exercer la force d’un newton dans le sens opposé à la vitesse initiale du ballon, alors le ballon accélérerait dans la direction de la force non équilibrée, ce qui signifie que quelque temps plus tard, le ballon aurait une vitesse inférieure à un mètre par seconde vers la droite. Et au final, le ballon s’arrêterait et commencerait à se déplacer vers la gauche. Parce que la force d’un newton agit dans la direction opposée à la vitesse initiale du ballon, dans ce cas particulier, elle ralentira d’abord le ballon, puis commencera à le faire se déplacer vers la gauche.

Maintenant, considérons notre deuxième ballon. Encore une fois, il se déplace vers la droite avec une vitesse d’un mètre par seconde. Et cette fois, nous exerçons une force vers la droite sur ce ballon avec une intensité d’un newton et une autre force vers la gauche avec une intensité d’un newton. Encore une fois, comme nous l’avons vu précédemment, ces forces sont équilibrées. Par conséquent, la force nette ou la force globale ou la résultante des forces exercées sur notre ballon est égale à zéro. Maintenant, pour ce scénario, la première loi de Newton nous dit quelque chose qui pourrait être assez surprenant. Elle nous indique qu’un objet qui se déplaçait initialement avec une vitesse constante continue de se déplacer avec cette même vitesse constante s’il n’y a pas de force nette agissant sur l’objet.

Donc, dans ce scénario particulier, notre ballon continue de se déplacer vers la droite avec une vitesse d’un mètre par seconde. Maintenant, comme nous l’avons déjà mentionné, cela peut nous sembler un peu surprenant car nous pourrions imaginer, par exemple, faire rouler un ballon sur le sol avec une vitesse initiale vers la droite d’un mètre par seconde. Pourquoi ce ballon ne continue-t-il pas simplement à rouler à un mètre par seconde pour toujours? Pourquoi ralentit-il et s’arrête-t-il alors qu’il roule sur le sol?

Eh bien, la raison en est qu’il existe en fait une force non équilibrée agissant sur le ballon, en particulier le frottement entre le ballon et le sol. Cette force de frottement agit dans le sens opposé à la vitesse initiale des ballons. Et par conséquent, ce scénario n’est pas le même que le premier scénario que nous avons considéré où il y avait une force non équilibrée agissant sur l’objet. Et c’est pourquoi, lorsque le ballon se déplace de gauche à droite, il ralentit et s’arrête.

Enfin, il y a une autre chose à prendre en considération pour la première loi de Newton sur le mouvement. Plus précisément, lorsque nous parlons d’un objet se déplaçant initialement à une vitesse constante, on nous a dit qu’une force non équilibrée agissant sur ce ballon entraînerait une variation de la vitesse du ballon. Nous avons déjà envisagé ce qui arrive à un ballon si nous exerçons une force non équilibrée dans la même direction que la vitesse de l’objet et si nous exerçons une force non équilibrée dans la direction opposée à la vitesse de l’objet. Cependant, les vitesses et les forces sont des quantités vectorielles. Et la définition d’une quantité vectorielle est le fait qu’elle a une intensité ou une amplitude et une direction.

Nous avons déjà vu comment une force agissant dans la même direction que la vitesse initiale de l’objet provoque une accélération et une force agissant dans la direction opposée à la vitesse initiale de l’objet la fait ralentir. Mais que se passe-t-il si nous exerçons une force non équilibrée sur l’objet dans une direction perpendiculaire à sa vitesse initiale? Eh bien, dans cette situation, l’intensité de la vitesse de l’objet ne changera pas. Il ne va ni accélérer ni ralentir. Cependant, la direction du mouvement de l’objet va changer. En fait, cette configuration ici, où la force est constamment perpendiculaire à la vitesse, est une condition préalable au mouvement circulaire. En d’autres termes, l’objet se déplacera le long d’une trajectoire circulaire si, en chaque point de la trajectoire, la vitesse est perpendiculaire à la direction de la force exercée.

Et notez ici que cela ne viole pas la première loi de Newton sur le mouvement. Un objet qui avait une vitesse initiale de 𝑣 vers la droite aura à un moment donné une vitesse différente, en particulier une vitesse d’intensité 𝑣 encore, mais à ce stade dirigée vers le bas. Et tout cela à cause de la force non équilibrée que nous avons exercée sur l’objet. En d’autres termes, une force non équilibrée ne doit pas nécessairement causer l’accélération ou le ralentissement d’un objet. Elle pourrait également le faire changer de direction. Et à ce stade, nous avons couvert les bases de la première loi de Newton sur le mouvement.

Alors, maintenant que nous avons énoncé cette loi assez en détail, résumons ce que nous avons appris dans cette leçon. Nous avons tout d’abord vu que la première loi du mouvement de Newton stipule qu’un objet initialement au repos restera au repos et qu’un objet se déplaçant initialement avec une vitesse constante continuera à se déplacer à cette vitesse, à moins qu’une force non équilibrée ne s’exerce sur lui. Nous avons également vu qu’un objet a une force non équilibrée agissant sur lui si toutes les forces agissant sur l’objet ne se combinent pas pour donner une force nette égale à zéro. Voilà donc un résumé de la première loi de Newton sur le mouvement.

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