Marianopolis College · Sciences de la nature

Tutorat 203-SN1-RE à Marianopolis : mécanique

Travaillez la translation et la rotation en mécanique du programme de Sciences à Marianopolis. Votre tuteur peut vous aider à choisir un système, à tracer ses forces et à expliquer l’accélération avant de calculer. Commencez par l’ascenseur, puis essayez un exercice de collision ou de moment de force.

La mécanique en Sciences de la nature

203-SN1-RE est le cours de mécanique du programme Science de Marianopolis. Il porte sur les lois classiques de la translation et de la rotation, et leurs applications.

La mécanique figure dans les grilles des profils Health Science et Pure and Applied Science. Ces grilles donnent des exemples de cheminement; l’ordre des cours peut varier.

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Votre parcours de révision pour 203-SN1-RE

Choisissez seulement les notions annoncées pour votre évaluation. Le descriptif du cours confirme la matière, mais pas la date ni les chapitres de l’examen de votre section.

  1. Choisir les notions. Revoir déplacement, vitesse et accélération
  2. Suivre un exemple résolu. Décomposer le mouvement d’un projectile : exemples résolus
  3. Essayer sans solution. Choisir le diagnostic existant sur les forces ou la quantité de mouvement si ces notions sont évaluées
  4. Faire débloquer une étape. Demander du tutorat pour 203-SN1-RE Indiquez le chapitre, la date de l’évaluation et la question; une tentative est utile, mais non obligatoire. Les séances sont actuellement en anglais.

Source officielle sur le cours Votre plan de section et les annonces de votre enseignant priment. Ces parcours et exercices sont ceux de Nablio, pas des examens officiels.

Descendre avec une accélération vers le haut

Un colis de masse m=5,0 kgm=5{,}0\,\mathrm{kg} reste posé sur le plancher horizontal d’un ascenseur. L’ascenseur descend en ralentissant, avec une accélération de 1,2 m/s21{,}2\,\mathrm{m/s^2} vers le haut. Trouvez la force normale exercée vers le haut par le plancher sur le colis. Prenez g=9,8 m/s2g=9{,}8\,\mathrm{m/s^2}, négligez la résistance de l’air et utilisez le référentiel du sol, supposé fixe et sans accélération. Le mouvement vers le bas rend-il cette force inférieure au poids du colis?

Indice : Distinguez le sens du mouvement de celui de l’accélération. Représentez seulement les forces qui agissent sur le colis.

Voir le raisonnement
  1. Isoler le colis

    Choisissons le haut comme sens positif. Le colis a l’accélération de l’ascenseur : a=+1,2 m/s2a=+1{,}2\,\mathrm{m/s^2}. Notons FNF_N la grandeur de la force normale vers le haut et WW la grandeur du poids vers le bas, en newtons. La masse mm est en kilogrammes; gg est la grandeur de l’accélération gravitationnelle.

    Le plancher pousse vers le haut et la gravité agit vers le bas. La force exercée par le colis sur le plancher appartient au diagramme du plancher.

  2. Calculer le poids

    W=mgW=49 N\begin{aligned}W&=mg\\W&=49\,\mathrm{N}\end{aligned}

    On utilise 5,0×9,8=495{,}0\times9{,}8=49. Le poids reste dirigé vers le bas pendant le ralentissement.

  3. Additionner les forces avec leurs signes

    La deuxième loi de Newton donne FN−W=ma.F_N-W=ma.

    La force résultante nécessaire est ma=6,0 N.ma=6{,}0\,\mathrm{N}.

    La force du plancher vaut donc FN=W+ma=(49+6,0) N=55 N.\begin{aligned}F_N&=W+ma\\&=(49+6{,}0)\,\mathrm{N}\\&=55\,\mathrm{N}.\end{aligned}

  4. Vérifier le sens et les unités

    La force vers le haut dépasse le poids de 6,0 N6{,}0\,\mathrm{N}, ce qui produit l’accélération vers le haut. Cette accélération ralentit le mouvement vers le bas. Le bilan des forces dépend de l’accélération; écrire FN=WF_N=W serait donc incorrect ici.

    Les unités concordent : kg m/s2=N.\mathrm{kg}\,\mathrm{m/s^2}=\mathrm{N}.

À vous : l’ascenseur accélère vers le bas

Gardez le même colis et le mouvement vers le bas. L’ascenseur descend maintenant de plus en plus vite, avec une accélération de 1,2 m/s² vers le bas. Trouvez la force normale et comparez-la au poids.

Vérifier ma réponse
  1. Changer le signe de l’accélération

    Le haut reste positif, donc a=−1,2 m/s2a=-1{,}2\,\mathrm{m/s^2}. Ainsi, ma=−6,0 N.ma=-6{,}0\,\mathrm{N}.

    La même équation des forces donne FN=W+ma=(49−6,0) N=43 N.\begin{aligned}F_N&=W+ma\\&=(49-6{,}0)\,\mathrm{N}\\&=43\,\mathrm{N}.\end{aligned}

    Le plancher pousse toujours vers le haut, mais FN<WF_N<W. La résultante et l’accélération sont donc dirigées vers le bas.

Mécanique en Sciences de la nature : trois vérifications

Séparez les mouvements horizontal et vertical, analysez un choc où les chariots restent attachés, puis calculez une accélération angulaire à partir du moment résultant. Choisissez les sens positifs avant les calculs.

Vérifiez dans votre liste de révision si la rotation fait partie de cette évaluation.

Avant de commencer : Prévoyez 20 minutes pour les trois questions, puis 10 minutes pour vérifier les hypothèses physiques de vos réponses.

1. Séparer les deux directions

Une balle quitte horizontalement une table à 6,0 m/s6{,}0\,\mathrm{m/s}, à 4,9 m4{,}9\,\mathrm m au-dessus d’un sol horizontal. Négligez l’air et utilisez g=9,8 m/s2g=9{,}8\,\mathrm{m/s^2}. Trouvez le temps de vol, la portée horizontale et les composantes de la vitesse juste avant l’impact.

Voir la solution expliquée
  1. Choisissez le haut positif et placez l’origine au point de lancement. La vitesse verticale initiale est nulle. Donc −4,9=−12(9,8)t2-4{,}9=-\tfrac12(9{,}8)t^2, d’où le temps positif t=1,0 st=1{,}0\,\mathrm s.
  2. L’accélération horizontale est nulle : x=6,0t=6,0 mx=6{,}0t=6{,}0\,\mathrm m et vx=6,0 m/sv_x=6{,}0\,\mathrm{m/s}.
  3. Verticalement, vy=−gt=−9,8 m/sv_y=-gt=-9{,}8\,\mathrm{m/s} juste avant l’impact. La vitesse de lancement horizontale n’entre pas dans l’équation du temps de chute; les deux directions partagent le même temps écoulé.

Revoir les équations du mouvement et les signes

2. Conserver la quantité de mouvement sans conserver l’énergie cinétique

Un chariot de 1,0 kg1{,}0\,\mathrm{kg} avance vers la droite à 3,0 m/s3{,}0\,\mathrm{m/s} et heurte un chariot immobile de 2,0 kg2{,}0\,\mathrm{kg}. Ils restent attachés. L’impulsion horizontale externe est négligeable pendant le choc. Trouvez leur vitesse commune et la variation de l’énergie cinétique totale.

Voir la solution expliquée
  1. Prenez les deux chariots comme système, avec la droite positive. L’impulsion horizontale externe négligeable permet la conservation de la quantité de mouvement : 1,0(3,0)+2,0(0)=3,0vf.1{,}0(3{,}0)+2{,}0(0)=3{,}0v_f. Ainsi, vf=1,0 m/sv_f=1{,}0\,\mathrm{m/s} vers la droite.
  2. Au départ, Ki=12(1,0)(3,0)2=4,5 JK_i=\tfrac12(1{,}0)(3{,}0)^2=4{,}5\,\mathrm J. À la fin, Kf=12(3,0)(1,0)2=1,5 JK_f=\tfrac12(3{,}0)(1{,}0)^2=1{,}5\,\mathrm J.
  3. La variation est ΔK=Kf−Ki=−3,0 J\Delta K=K_f-K_i=-3{,}0\,\mathrm J. L’énergie cinétique diminue de 3,0 J malgré la conservation de la quantité de mouvement. Puisque les chariots restent attachés, le choc est inélastique; la conservation de la quantité de mouvement n’implique pas celle de l’énergie cinétique.

Choisir entre énergie et quantité de mouvement

3. Utiliser le moment résultant

Une roue tourne autour d’un axe fixe avec un moment d’inertie I=0,60 kg m2I=0{,}60\,\mathrm{kg\,m^2}. Un moment moteur de 1,8 N m1{,}8\,\mathrm{N\,m} agit dans le sens antihoraire et un moment résistant de 0,30 N m0{,}30\,\mathrm{N\,m} dans le sens horaire. Ils sont constants. Partant du repos, trouvez l’accélération angulaire et la vitesse angulaire après 2,0 s2{,}0\,\mathrm s.

Voir la solution expliquée
  1. Le sens antihoraire est positif. Le moment résultant signé vaut τnet=1,8−0,30=1,5 N m\tau_{\rm net}=1{,}8-0{,}30=1{,}5\,\mathrm{N\,m}. Il faut inclure le moment résistant.
  2. Pour ce modèle à axe fixe, τnet=Iα\tau_{\rm net}=I\alpha, donc α=1,5/0,60=2,5 rad/s2\alpha=1{,}5/0{,}60=2{,}5\,\mathrm{rad/s^2}.
  3. Le moment et le moment d’inertie constants donnent une accélération angulaire constante. Ainsi, ω=ω0+αt=5,0 rad/s\omega=\omega_0+\alpha t=5{,}0\,\mathrm{rad/s}, dans le sens antihoraire. L’accélération angulaire ne se mesure pas en m/s2\mathrm{m/s^2} : elle décrit la variation de la vitesse angulaire.

Revoir les signes des moments et les bras de levier

Construire votre révision à partir de vos réponses
  1. Séparer les composantes du mouvement

    Écrivez une équation horizontale et une verticale, avec le même temps. Distinguez le sens de la vitesse de celui de l’accélération.

  2. Nommer le système et l’intervalle

    Pour un choc, délimitez le court intervalle de collision et repérez les impulsions externes. Calculez séparément l’énergie cinétique au lieu de supposer sa conservation.

  3. Distinguer accélération angulaire et équilibre

    La roue accélère : utilisez donc τnet=Iα\tau_{\mathrm{net}}=I\alpha, et non une somme des moments nulle. Vérifiez les signes et les unités avant de calculer la vitesse angulaire. Dans ce modèle à axe fixe et à inertie constante, une somme des moments nulle donnerait plutôt une accélération angulaire nulle, sans imposer une vitesse angulaire nulle.

Envoyez 203-SN1-RE avec votre diagramme ou votre équation de conservation. Précisez si l’évaluation comprend la rotation afin d’adapter la révision à votre section.

Demander de l’aide pour réviser 203-SN1-RE

Exercices originaux de Nablio, et non un examen officiel. Les séances de tutorat sont actuellement offertes en anglais.

Sources pour les sujets du cours

Quoi travailler avec un tuteur

Apportez une question de mécanique, même si vous ne l’avez pas commencée. Un tuteur peut vous aider à choisir l’objet, à représenter les forces, à déterminer le sens de l’accélération et à construire l’équation à partir du schéma. Si vous avez déjà essayé une résolution, vous pouvez la vérifier ensemble. Pour des objets reliés, le tuteur peut vous aider à écrire une équation des forces par objet selon l’axe choisi. Additionnez les équations et repérez les forces internes, égales et opposées, qui s’annulent. Terminez en expliquant une variante sans recopier les nombres de l’exemple.

Se préparer à ce cours

Avant de commencer, révisez les calculs avec signes et la manipulation d’une équation simple. Précisez l’objet, l’axe et l’accélération avant de remplacer les symboles par des nombres.

Sujets de mécanique à revoir

  • Mouvement et accélération
  • Diagrammes de forces et deuxième loi de Newton
  • Choix du système pour des objets reliés
  • Rotation et moments de force

Choisir les exercices de révision

Choisissez une question de mouvement et une question de forces parmi les notions annoncées pour votre évaluation. Pour le mouvement, précisez comment la vitesse varie. Pour les forces, représentez celles qui agissent sur un seul objet et choisissez un sens positif avant d’écrire son équation. Vérifiez les unités et le sens, puis reprenez l’étape corrigée sans regarder la solution.

Sources sur le cours

Questions sur les séances

Dans quelle langue les séances se déroulent-elles?

Les séances de tutorat sont actuellement offertes en anglais.

Relier équilibre et frottement statique

Lorsque l’équilibre des corps rigides figure dans votre matière, travaillez le diagramme des forces, les moments et la limite de frottement dans un même modèle. Ce complément ne constitue pas une révision complète du cours ni une prédiction de l’examen.

Échelle : équilibre, distance maximale et angle minimal