Interactions et forces

Exercice 1 — Actions mécaniques
1. Définition d'une interaction :
Une interaction est une action réciproque entre deux objets A et B : si A exerce une action sur B, alors B exerce en retour une action sur A. On ne peut jamais séparer les deux partenaires d'une interaction.

2. Classification des situations :

• (a) Un marteau frappe un clou : action de contact — le marteau touche physiquement le clou.
• (b) La Terre attire la Lune : action à distance — la gravité s'exerce à travers le vide de l'espace, sans contact.
• (c) Un aimant attire un trombone sans le toucher : action à distance — la force magnétique s'exerce sans contact physique.
• (d) Une corde tire une remorque : action de contact — la corde est en contact direct avec la remorque (tension).

3. Pourquoi la gravitation est-elle une action à distance ?
La gravitation est une action à distance car la Terre attire tous les objets sans les toucher : cette force s'exerce à travers le vide ou l'air, sans nécessiter de contact physique entre les deux corps.

Exercice 2 — Caractéristiques et représentation d'une force
1. Les quatre caractéristiques d'une force :

• Le point d'application : l'endroit où la force s'exerce sur l'objet.
• La direction : la droite sur laquelle agit la force (ex. : verticale, horizontale…).
• Le sens : le côté vers lequel agit la force (ex. : vers le bas, vers la droite…).
• La valeur (ou norme) : l'intensité de la force, exprimée en newton (N).

Moyen mnémotechnique : P.D.S.V. (Point d'application, Direction, Sens, Valeur)

2. Calcul du poids :
Formule : P = m × g
Données : m = 800 g = 0,8 kg ; g = 10 N/kg
Application numérique : P = 0,8 × 10 = 8 N

3. Représentation du vecteur poids :
À l'échelle 1 cm → 4 N, le poids de 8 N se représente par une flèche de : 8 ÷ 4 = 2 cm.

• Point d'application : au centre de gravité de l'objet (centre du dessin de l'objet).
• Direction : verticale.
• Sens : vers le bas (vers le centre de la Terre).
• Longueur : 2 cm (à l'échelle 1 cm → 4 N).
• La flèche doit être légendée : P⃗ = 8 N avec l'échelle indiquée.

Exercice 3 — Dynamomètre et mesure de force
1. Principe de fonctionnement du dynamomètre :
Le dynamomètre est composé d'un ressort dont l'allongement est proportionnel à la force qui lui est appliquée (loi de Hooke). Plus la force est grande, plus le ressort s'allonge. L'allongement du ressort est indiqué sur une graduation étalonnée directement en newtons (N).

2. Masse de l'objet accroché :
Formule : m = P ÷ g
Données : P = 5,5 N ; g = 10 N/kg
Application numérique : m = 5,5 ÷ 10 = 0,55 kg = 550 g

3. Peut-on mesurer le poids d'un objet de 7 kg avec ce dynamomètre ?
Calcul du poids : P = m × g = 7 × 10 = 70 N
La portée maximale du dynamomètre est 50 N.
Or 70 N > 50 N : non, on ne peut pas effectuer la mesure.
Justification : dépasser la portée maximale déformerait le ressort de façon permanente (déformation plastique), ce qui rendrait le dynamomètre inutilisable pour les mesures futures.

Exercice 4 — Équilibre d'un objet
1. Condition d'équilibre :
Un objet est en équilibre si et seulement si la somme vectorielle de toutes les forces qui s'exercent sur lui est nulle. Cela signifie que toutes les forces se compensent exactement. L'objet est alors soit immobile, soit en mouvement rectiligne uniforme.

2. Sac à dos suspendu à un crochet :
(a) Calcul du poids :
Formule : P = m × g
Données : m = 2 kg ; g = 10 N/kg
Application numérique : P = 2 × 10 = 20 N

(b) Valeur de la tension dans le fil :
Le sac est soumis à deux forces : son poids P⃗ (20 N vers le bas) et la tension T⃗ du fil (vers le haut).
Pour que le sac soit en équilibre, la tension doit être égale au poids : T = 20 N, dirigée vers le haut.

(c) Justification de l'équilibre :
Le sac est en équilibre car les deux forces qui s'exercent sur lui — le poids P⃗ (20 N vers le bas) et la tension T⃗ (20 N vers le haut) — ont la même valeur (20 N), la même direction (verticale) et des sens opposés. Leur somme vectorielle est donc nulle : le sac ne se déplace pas.

Exercice 5 — Problème de synthèse
(a) Calcul de la force résultante :
Données :

• Force du remorqueur vers l'avant : F₁ = 4 500 N
• Résistance de l'eau vers l'arrière : F₂ = 1 800 N

Les deux forces sont colinéaires (même droite d'action) mais de sens opposés.
Formule : F_résultante = F₁ – F₂ = 4 500 – 1 800 = 2 700 N
Sens : la force résultante est dirigée vers l'avant (dans le sens du remorqueur, car 4 500 N > 1 800 N).

(b) Équilibre et mouvement du bateau :
La force résultante est 2 700 N ≠ 0. Le bateau n'est pas en équilibre.
La force résultante non nulle vers l'avant signifie que le bateau va accélérer dans le sens de la marche (vers l'avant). Sa vitesse va augmenter.