Les lois de Newton

La première loi de Newton (loi de l’inertie)

Tout corps persévère dans l’état de repos ou de mouvement uniforme en ligne droite dans lequel il se trouve, à moins que quelque force n’agisse sur lui, et ne le contraigne à changer d’état.
Cela signifie qu’une bille qui roule en ligne droite sur le sol continuera à rouler en ligne droite à l’infini à moins qu’une force n’agisse sur elle.  En fait, on imagine bien que la bille va finir par s’arrêter. Cela est dû à la force de frottement entre la bille et le sol qui s’oppose au mouvement de la bille.  Sans cette force, la bille n’arrêterait jamais.
 
Il est difficile de s’imaginer ce concept étant donné que tout dans notre environnement finit par s’arrêter. Toutefois, dans l’espace, en absence de résistance de l’air ou de frottement, les objets en mouvement conservent leur mouvement à l’infini.
 
Ajoutons que pour garder son immobilité ou sa vitesse constante, il est possible qu’un objet soit soumis à plusieurs forces.  Cependant, la somme de toutes les forces qui agissent sur lui doit être égale à zéro pour que l’objet garde son immobilité ou sa vitesse constante.
 
Un corps au repos ou en mouvement rectiligne uniforme résiste à tout changement et c’est ce que l’on appelle l’inertie.
 
Le pendentif sur le rétroviseur d’une voiture

Il faut s’imaginer une voiture munie d’un pendentif accroché sur le rétroviseur et qui est immobile. Comment le pendentif réagira-t-il lorsque la voiture accélèrera vers l’avant ? 



On serait tenté de dire que le pendentif se déplacera vers l’arrière lorsque la voiture accélèrera vers l’avant, mais cela n’est vrai que du point de vue d’une personne à l’intérieur de la voiture.  En réalité, le pendentif tend à garder sa position initiale alors que la voiture avance. Par conséquent, nous avons l’impression qu’il va vers l’arrière alors qu’en réalité, il reste immobile quand nous avançons.

La voiture dans un virage

Imaginons maintenant que l’on roule à grande vitesse en ligne droite sur l’autoroute jusqu’au moment où le conducteur aperçoit un petit animal sur la route.  C’est alors qu’il donne un coup de volant sur sa gauche. Comment un corps réagira-t-il à cela ? 

On pensera tout de suite que le corps sera déporté vers la droite de la voiture, mais ce n’est pas tout à fait vrai.  En fait, le corps aura tendance à garder sa vitesse constante en ligne droite alors que la voiture change brusquement de direction en tournant à gauche.  Si le corps garde sa position et que la voiture bouge vers la gauche, on aura l’impression que notre corps s’écrasera sur le côté droit de la voiture quand en fait, il ne fait que garder son mouvement en ligne droite.

La deuxième loi de Newton (somme des forces = ma)

La deuxième loi de Newton se résume par l’application de l’équation suivante :

On doit procéder à une addition de vecteurs pour arriver à déterminer la somme des forces.  Aussi, la somme des forces (ΣF) et l’accélération (a) ont toujours la même orientation.
 
Application de la deuxième loi de Newton dans un référentiel à 2 dimensions

Louis applique une force de 50 N sur un traîneau de 4 kg qui lui oppose une force de frottement de 15 N. Quelle est l’accélération du traîneau ?

D’abord, il faut spécifier qu’une force de frottement s’oppose toujours au mouvement d’un objet et donc, nous lui attribuerons un signe négatif.

Application de la deuxième loi de Newton sur un objet dans un plan incliné


On a un objet d'une masse de 10kg sur un plan incliné de 45º. On applique une force de 150N pour le faire déplacer avec une force de friction de 15N.



Quelle est l'accélération de la masse s'il n'y a aucun frottement avec la poulie?

Pour faire déplacer la masse, on doit faire la somme des forces parallèles au plan. On connait la force de friction mais pour la masse, on doit utiliser les formules de trigonométrie dans un triangle rectangle.

On sait que la force gravitationelle est toujours dirigée vers le bas ou quelle est toujours perpendiculaire à l'horizon.



Dans un plan incliné, l'angle entre la normale et la force gravitationelle est égal à celui du plan.

On peut ainsi reconstruire un triangle rectangle où le côté opposé à l'angle de 45° représente la force de la masse (Fm) sur le plan.


|cos45^{o}=\frac{Fm}{98N}|
|cos45^{o}\cdot98N=F_{m}|

|69,3N=F_{m}|
 
On applique ensuite la 2e loi de Newton


|150N-69,3N-15N=10kg\cdot a|

|\frac{65,7}{10}=a|

6,57m/s2=a

La troisième loi de Newton (loi de l’action-réaction)

Lorsqu’un corps A exerce une force sur un corps B, le corps B exercera une force sur le corps A de même grandeur, mais dans le sens opposé. Notons que les objets n’ont pas besoin d’être en contact pour que cette loi soit applicable.

Le livre sur la table

Lorsque l'on dépose une livre sur une table, celui-ci exerce une force vers le bas. La table exerce une force vers le haut de même grandeur.

La poussée du patineur

Deux patineurs immobiles se font face sur la glace. Le patineur A pousse le patineur B vers la droite. Quel patineur se mettra en mouvement ?

Les deux patineurs se mettront en mouvement. En effet, quand le patineur A poussera le patineur B vers la droite, ce dernier se mettra en mouvement vers la droite. De plus, par la loi d’action-réaction, lorsque le patineur A poussera sur le patineur B, il subira une poussée de même grandeur, mais dans le sens opposé (vers la gauche).  Le patineur A sera donc lui aussi propulsé, mais vers la gauche.

La loi de l’action-réaction appliquée aux aimants

On place un aimant très près d’un morceau de fer dur sur une surface lisse et glissante. Qu’observeras-tu?

On pourrait penser que le morceau de fer serait le seul à bouger puisque c’est ce dernier qui est attiré par l’aimant. Par contre, la loi d’action-réaction stipule que si l’aimant exerce une force d’attraction sur le morceau de fer, alors le morceau de fer exerce aussi une force d’attraction sur l’aimant, mais dans le sens opposé. Par conséquent, on observera les deux objets s’approcher l’un de l’autre.

Les exercices

Les références
 

  • MELS
  • Rogers
  • Réunir Réussir
  • Fondation Réussite Jeunesse