Transcription de la vidéo
Une balle accélère en roulant sur une pente, continue de rouler sur une surface
horizontale à vitesse constante, puis accélère à nouveau en descendant une deuxième
pente. Laquelle des figures suivantes montre correctement les forces agissant sur la balle à
intervalles réguliers?
Nous pouvons voir que nous avons reçu trois figures différents nommés (A), (B) et
(C). Chacun de ces figures montre la position d’une balle à intervalles réguliers. Le mouvement de la balle comporte trois sections différentes, et cela se voit le plus
clairement en regardant la figure donnée dans l’option (C). Il y a cette première partie ici où la balle roule sur une pente. Et nous pouvons voir que pendant cette partie du mouvement à des intervalles de temps
égaux lorsque la position de la balle est indiquée, la distance parcourue par la
balle augmente à chaque intervalle qui suit. En effet, pendant cette partie du mouvement, la vitesse de la balle augmente à mesure
qu’elle accélère vers le bas de la pente.
Nous avons ensuite cette deuxième partie du mouvement où la balle roule le long d’une
surface horizontale. On nous dit qu’à ce stade, la balle se déplace à une vitesse constante. Et en effet, si nous regardons les intervalles de temps égaux pendant lesquels la
position de la balle est représentée, nous pouvons voir que la distance parcourue
par la balle dans chacun de ces intervalles de temps est la même. Ainsi, la balle se déplace à des distances égales pendant des temps égaux. Enfin, nous avons cette deuxième partie de descente. Et ici encore une fois, la balle accélère. Nous pouvons remarquer que les positions de la balle pendant ces intervalles égaux
sont les mêmes dans toutes les figures (A), (B) et (C) qui nous sont données. Ce qui diffère entre les trois figures, ce sont les flèches dessinées sur la balle à
chaque point représentant les forces agissant sur la balle à cet instant.
On nous demande de déterminer lequel de ces trois figures montre correctement ces
forces. Pour résoudre ce problème, il sera utile de rappeler une loi connue sous le nom de
première loi de Newton. Cette loi dit qu’un objet au repos restera au repos et qu’un objet se déplaçant avec
une vitesse constante continuera à cette vitesse à moins qu’il ne soit soumis à une
force non équilibrée. Ce que cette loi nous dit, c’est que s’il n’y a pas de force non équilibrée agissant
sur un objet, c’est-à-dire que si les forces sur ce dernier sont équilibrées ou, de
manière équivalente, il n’y a pas une résultante de force, alors la vitesse de cet
objet ne changera pas. Cela signifie que si l’objet ne bouge pas initialement, donc qu’il est initialement
au repos, il restera au repos. Pendant ce temps, si nous avons un objet en mouvement sans une résultante de force,
alors cet objet continuera à se déplacer à la même vitesse constante.
Dans cette question, nous considérons une balle qui bouge. C’est donc la deuxième partie de la première loi de Newton sur les objets en
mouvement qui nous intéresse. Nous pouvons résumer cette partie de la première loi de Newton comme disant que s’il
n’y a pas de résultante de force sur un objet en mouvement, alors cet objet continue
à se déplacer à une vitesse constante. Maintenant, si c’est le cas, l’argument doit également fonctionner dans l’autre
sens. Autrement dit, si nous avons un objet qui se déplace à une vitesse constante, nous
savons que la résultante de force sur cet objet doit être nulle. En pensant à la balle à partir de cette question, nous savons que pendant la deuxième
partie du mouvement, lorsqu’elle roule sur une surface horizontale, la balle se
déplace à une vitesse constante.
Si nous regardons la figure donnée dans l’option (A), nous pouvons voir que pendant
cette section de mouvement, il y a un vecteur de force sur la balle à chacun des
intervalles de temps indiqués. Notons qu’il n’y a qu’une seule flèche tirée sur la balle dans chaque cas, pointant
dans la direction du mouvement de la balle. Cette flèche représente une seule force non équilibrée agissant sur le ballon dans ce
sens. C’est-à-dire qu’il n’y a pas d’autres forces montrées pour équilibrer cette force,
alors selon la figure de l’option (A), pendant cette section de mouvement, il y a
une résultante de force sur la balle dans la direction de son mouvement.
Cependant, nous avons vu d’après la première loi de Newton que si un objet se déplace
à une vitesse constante, alors la résultante de force sur celui-ci doit être
nulle. Et nous savons aussi parce qu’on nous dit dans l’énoncé de la question que pendant
cette section de mouvement sur la surface horizontale, la vitesse de la balle est
constante. Cela signifie que nous savons que la résultante de force sur la balle doit être nulle
pendant cette partie horizontale de son mouvement. Comme ce n’est pas le cas sur la figure illustrée dans l’option (A) et que nous avons
une résultante de force sur la balle à ce stade du mouvement, nous pouvons éliminer
ce choix de réponse en toute sécurité. Cela nous laisse avec les figures indiquées dans les options (B) et (C).
Dans les deux cas, pendant la partie horizontale du mouvement de la balle, nous
pouvons voir qu’il y a une résultante de force de zéro agissant sur la balle. Dans la figure (B), la résultante de force est nulle car aucune force n’est tracée
lorsque la balle se déplace sur une surface horizontale. Et dans la figure (C), deux forces sont indiquées à chaque point du mouvement de la
balle lorsqu’elle est sur la surface horizontale. À chaque point, nous voyons une force descendante indiquée en rouge et une force
ascendante indiquée en bleu.
Rappelons que lorsque nous représentons une force par une flèche, la longueur de
cette flèche nous donne l’intensité de la force. On peut remarquer que lorsque la balle est sur l’horizontale, la flèche rouge et la
flèche bleue ont la même longueur. Cela signifie que ces deux forces ont la même intensité, et nous pouvons également
voir qu’elles sont dirigées dans des sens opposés. Nous pouvons dire que ces forces sont équilibrées car elles s’annulent de sorte qu’il
n’y a pas de résultante de force sur la balle à ce stade. Ce que nous avons vu jusqu’à présent, c’est qu’en ce qui concerne la première loi de
Newton, la figure (B) ou la figure (C) pourrait être correct. Cela est vrai car dans les deux cas, lorsque la balle se déplace à une vitesse
constante, ces figures montrent une résultante de force sur la balle de zéro.
La première loi de Newton ne peut alors pas nous aider à faire la distinction entre
ces deux figures. Mais il y a aussi une autre considération que nous pouvons utiliser pour nous aider,
et c’est celle de la gravité. L’intensité du champ gravitationnel sur la Terre est représentée par un 𝑔
minuscule. Et un objet avec une masse 𝑚 dans ce champ gravitationnel 𝑔 aura un poids 𝑃 égale à
𝑚 multipliée par 𝑔. Cette force agira verticalement vers le bas sur l’objet vers le centre de masse de la
Terre. Puisque la balle dans cette question est un objet qui aura une certaine valeur de
masse, alors cette balle doit subir une force descendante à cause de la gravité à
tous les instants.
Notons que dans la figure (C), il y a une flèche rouge dessinée sur la balle à chaque
instant pointant verticalement vers le bas, et cette flèche rouge représente le
poids due à la gravité. Cependant, ce n’est clairement pas le cas dans la figure (B). Si nous regardons la partie horizontale de la surface, nous ne voyons aucune force
agissant sur la balle. Et cela signifie donc que le poids due à la gravité n’est pas affiché ici. Cette figure ne peut alors pas être correcte, nous pouvons donc éliminer l’option de
réponse (B). Cela nous laisse avec la figure indiquée dans l’option (C). Et effaçons maintenant nos annotations sur cette figure et examinons-la à nouveau
pour vérifier si elle est correcte.
Dans la figure (C), nous pouvons voir qu’à chaque instant, deux forces agissent sur
la balle. Nous avons déjà identifié que la flèche rouge, qui pointe verticalement vers le bas
en chaque point, représente le poids due à la gravité.
Nous avons ensuite la flèche bleue, que nous pouvons voir à 90 degrés ou
perpendiculaire à la surface en chaque point. Et cela représente la réaction normale de la surface sur la balle. Sur la partie horizontale du mouvement de la balle lorsqu’elle se déplace à une
vitesse constante, cette réaction normale pointe verticalement vers le haut et
équilibre exactement la force vers le bas due à la gravité. Pendant les deux autres sections, lorsque la balle accélère sur la pente, ce n’est
pas le cas. Au cours de ces sections du mouvement, la flèche bleue représentant la réaction n’est
pas dans le sens opposé à la flèche rouge représentant le poids due à la
gravité.
Cela signifie que pendant ces deux parties du mouvement où la balle accélère sur la
pente, les forces ne sont pas équilibrées et il y a donc une résultante de force sur
la balle. Cette résultante de force finit par agir dans la direction vers le bas de la pente,
provoquant une accélération de la balle dans cette direction. Dans l’ensemble, nous pouvons voir que ces forces représentées dans la figure (C) ont
un sens par rapport au mouvement de la balle. Et ce qui est montré dans la figure (B) est en fait la résultante de force agissant
sur le ballon à chaque instant. Notons que cette résultante de force est nulle sur la surface horizontale et agit sur
la pente lorsque la balle accélère.
Maintenant, la question demande à propos la figure montrant toutes les forces
correctes agissant sur la balle à intervalles égaux, pas seulement la résultante de
force. Nous pouvons donc identifier notre réponse comme étant le diagramme (C).