À propos de cette page
Ce cours de physique en quatrième sur « Mouvements, forces et équilibre » suit le programme officiel de physique de quatrième. Il présente les définitions, les propriétés et les méthodes essentielles, accompagnées d'exemples résolus pour bien comprendre. Au programme : Décrire un mouvement : trajectoire et vitesse, Les différents types de mouvements, Les forces et leur représentation, Le bilan des forces. Chaque notion est expliquée pas à pas, puis mise en pratique grâce à des exercices interactifs, un QCM et une évaluation corrigée. Idéal pour réviser à son rythme, combler ses lacunes et progresser, en autonomie ou avec un professeur. Cours rédigé par un professeur particulier à Marseille pour aider les élèves de quatrième à réussir en physique.
Au programme
1 · Décrire un mouvement : trajectoire et vitesse
2 · Les différents types de mouvements
3 · Les forces et leur représentation
4 · Le bilan des forces
5 · Condition d'équilibre d'un solide
6 · Le principe d'inertie
7 · Forces de contact et forces à distance
1Décrire un mouvement : trajectoire et vitesse
Pour décrire le mouvement d'un objet, on a besoin de deux notions fondamentales : la trajectoire et la vitesse.
Définition. La trajectoire d'un objet est l'ensemble des positions successives occupées par cet objet au cours du temps, dans un référentiel donné.
La trajectoire peut être :
- Rectiligne : en ligne droite (ex. une voiture sur une autoroute)
- Circulaire : en cercle (ex. une cabine de grande roue)
- Quelconque : de forme complexe (ex. un ballon lancé en cloche)
Définition. La vitesse d'un objet est le quotient de la distance parcourue par la durée du trajet :
v = d / t
avec v en m/s (ou km/h), d en m (ou km), t en s (ou h).
Exemple. Une voiture parcourt 120 km en 1 h 30 min. Sa vitesse moyenne est :
v = 120 / 1,5 = 80 km/h
Astuce. Pour convertir km/h en m/s, on divise par 3,6. Ainsi 80 km/h = 80 / 3,6 ≈ 22,2 m/s.
2Les différents types de mouvements
On distingue plusieurs types de mouvements selon l'évolution de la vitesse dans le temps :
| Type de mouvement | Vitesse | Exemple |
|---|
| Rectiligne uniforme | Constante | Fusée en ligne droite dans le vide |
| Rectiligne accéléré | Augmente | Voiture qui démarre |
| Rectiligne décéléré | Diminue | Voiture qui freine |
| Circulaire uniforme | Constante, direction change | Manège à vitesse fixe |
| Quelconque | Variable en norme et direction | Ballon de foot |
Règle. Un mouvement est dit uniforme si la vitesse (en valeur absolue) reste constante. Il est non uniforme si la vitesse change.
Pour analyser un mouvement, on peut utiliser un enregistrement stroboscopique ou une vidéo image par image. Si les positions successives sont régulièrement espacées, le mouvement est uniforme ; si elles se resserrent ou s'écartent, le mouvement est non uniforme.
Attention ! Un objet peut avoir une vitesse constante en valeur (uniforme) mais voir sa direction changer : c'est le cas du mouvement circulaire uniforme.
3Les forces et leur représentation
Une force est une action mécanique exercée par un objet sur un autre. Les forces peuvent modifier l'état de mouvement ou la forme d'un objet.
Définition. Une force est représentée par un
vecteur, caractérisé par :
- Un point d'application (où la force s'applique)
- Une direction (droite portant le vecteur)
- Un sens (flèche indiquant l'orientation)
- Une norme (intensité de la force, exprimée en Newton, N)
Exemples de forces courantes :
- Le poids P : force exercée par la Terre sur tout objet. Il est vertical, dirigé vers le bas, de valeur P = m × g (avec g ≈ 10 N/kg sur Terre).
- La réaction du support R : force exercée par une surface sur l'objet posé dessus.
- La tension d'un fil T : force exercée par un fil sur un objet accroché.
- Les forces de frottement : forces s'opposant au déplacement.
Exemple. Un livre de masse m = 0,5 kg repose sur une table. Son poids est : P = 0,5 × 10 = 5 N, dirigé vers le bas.
Astuce. Le Newton (N) est l'unité de force. 1 N correspond environ au poids d'un objet de 100 g sur Terre.
4Le bilan des forces
Le bilan des forces (ou inventaire des forces) consiste à recenser toutes les forces qui s'exercent sur un solide étudié.
Méthode. Pour réaliser un bilan des forces :
- Identifier le système étudié (l'objet choisi).
- Lister les objets en contact avec le système.
- Identifier les forces à distance (poids, force magnétique…).
- Pour chaque interaction, nommer et représenter la force correspondante.
Exemple. Un parachutiste en chute est soumis à :
- Son poids P (vers le bas)
- La force de frottement de l'air f (vers le haut, s'opposant à la chute)
Au début, P > f donc il accélère. Quand P = f, il atteint la vitesse limite.
Attention ! On ne prend en compte que les forces exercées sur le système étudié, pas les forces que le système exerce sur les autres objets.
5Condition d'équilibre d'un solide
Un solide est en équilibre lorsqu'il reste immobile dans le référentiel choisi.
Règle. Un solide soumis à plusieurs forces est en équilibre si et seulement si la somme vectorielle de toutes les forces qui s'exercent sur lui est nulle :
Σ F⃗ = 0⃗
Pour deux forces, l'équilibre est réalisé quand les deux forces sont :
- Opposées en sens (l'une vers le haut, l'autre vers le bas, par exemple)
- De même direction (sur la même droite)
- De même norme (même valeur en N)
Exemple. Un livre posé sur une table :
- Poids P = 5 N vers le bas
- Réaction R = 5 N vers le haut
P et R ont même norme, même direction, sens opposés → le livre est en équilibre.
Pour un solide soumis à trois forces, l'équilibre est réalisé si les trois vecteurs forces, mis bout à bout, forment un triangle fermé.
Astuce. Pour vérifier graphiquement l'équilibre, trace les vecteurs forces à la suite : si on revient au point de départ, le bilan est nul et l'objet est en équilibre.
6Le principe d'inertie
Le principe d'inertie (formulé par Galilée et Newton) établit un lien fondamental entre les forces et le mouvement.
Principe d'inertie. Si les forces exercées sur un solide se
compensent (bilan des forces nul), alors :
- soit le solide est au repos et il reste au repos ;
- soit le solide est en mouvement et il continue en ligne droite à vitesse constante (mouvement rectiligne uniforme).
Réciproquement : si un solide est en mouvement rectiligne uniforme ou au repos, alors les forces qui s'exercent sur lui se compensent.
Exemple. Une puck de hockey glisse sur une surface sans frottement. Le poids est compensé par la réaction du sol. La force résultante est nulle : la puck continue en ligne droite à vitesse constante.
En pratique, les frottements font que les objets s'arrêtent. Pour observer le principe d'inertie, il faut réduire au maximum les frottements (coussin d'air, table inclinée de compensation…).
Attention ! Le principe d'inertie dit qu'un objet ne change pas son mouvement si les forces se compensent. Pour accélérer ou décélérer un objet, il faut une force non compensée.
7Forces de contact et forces à distance
On distingue deux grandes familles de forces selon qu'elles nécessitent ou non un contact physique.
| Catégorie | Exemples | Caractéristiques |
|---|
| Forces de contact | Réaction du support, frottement, tension, poussée | Nécessitent un contact direct entre les objets |
| Forces à distance | Poids (gravitation), force magnétique, force électrique | S'exercent sans contact, à travers l'espace |
Poids. Le poids est une force à distance exercée par la Terre sur tout objet de masse m :
P = m × g
avec g = 10 N/kg sur Terre (valeur approchée utilisée au collège).
Exemple. Un aimant attire un clou en fer sans le toucher : c'est une force magnétique à distance. Le clou est attiré par le sol par son poids : c'est une force gravitationnelle à distance.
Astuce. Ne pas confondre la masse (quantité de matière, en kg, ne change pas) et le poids (force, en N, dépend de g donc de l'endroit où on se trouve dans l'univers).
★À retenir
En bref :
• La trajectoire décrit le chemin suivi ; la vitesse v = d/t (en m/s ou km/h).
• Une force est un vecteur caractérisé par : point d'application, direction, sens, norme (en N).
• Le poids P = m × g (g ≈ 10 N/kg sur Terre), dirigé vers le bas.
• Le bilan des forces liste toutes les forces agissant sur le solide étudié.
• Équilibre : somme vectorielle des forces nulle (Σ F⃗ = 0⃗).
• Principe d'inertie : si les forces se compensent, le solide est au repos ou en mouvement rectiligne uniforme.
• Forces de contact (réaction, frottement) ≠ forces à distance (poids, magnétique).