Notion de travail mécanique

Observations

Lorsqu'on exerce une force à un instant donné, le mobile poursuit son mouvement rectiligne uniforme sans être influencé par la force.
Si on applique en continu la même force au système, son mouvement devient rectiligne accéléré.

Quelle est l'influence de l'air sur les mouvements ? L'air ambiant exerce une force qui freine les déplacements des mobiles.

En conclusion de cette observation, on peut dire que si le point d'application de la force se déplace avec le système, n'a pas le même effet que si la force est instantanée.
Lorsqu'on tire un chariot avec une force de 1 N, l'accélération n'est plus la même selon que la force est colinéaire au déplacement ou qu'elle fasse un angle α avec celui-ci.

Définition

Pour traduire l'effet d'une force constante sur un système, on définit une nouvelle grandeur qui tient compte de 3 facteurs suivant :

  • Intensité de la force ;
  • Angle entre la force et la trajectoire (le cosinus) ;
  • Déplacement du point d'application de la force.

On appelle cette grandeur, travail d'une force, et on la note de la façon suivante :

On lit cette grandeur travail de la force F sur le trajet AB.

Représentation géométrique

Travail moteur, travail résistant

La valeur numérique du travail est une valeur algébrique munie d'un signe :

Comment les forces s'exercent dans un moteur ? Le moteur a explosion utilise les forces de mouvement naturelles de ses pièces pour fonctionner. Quand un piston descend suite à une explosion, le vilebrequin fait remonter un autre par la force donnée par celui qui est descendu.

Remarque :
Une force perpendiculaire au déplacement ne travaille pas.

Propriété

N'importe quelle trajectoire peut se décomposer en une somme de vecteurs. Et la courbe s'écrira.

Ce petit calcul nous montre que quelque soit le chemin suivi d'un point à un point B, le travail d'une force constante (au sens vectoriel) ne dépend que de la longueur AB. Il s'exprime donc :

Sens physique du travail

Le poids

Le poids correspond à la force de pesanteur qui, d'origine gravitationnelle et inertielle, est exercée, dans notre cas, pas la Terre sur un corps massique car il se trouve au voisinage de la Terre.

On dit qu'elle est égale à l'opposé de la résultante des autres forces qui sont appliquées au centre de gravité du corps dans le cas où celui-ci est immobile et dans le référentiel terrestre.

Cette force correspond à la résultante des efforts dus à la gravité et à la force d'inertie d'entraînement qui est due à la rotation de la Terre sur elle-même.

On applique cette force au centre de gravité du corps massique et sa direction définit la verticale qui passe de façon approximative par le centre de la Terre. Ainsi, le poids correspond à une action à distance toujours proportionnelle à la masse.

Si l'on veut rester rigoureux, il faut savoir que le poids ne prend en compte que les effets gravitationnels et inertiels. Cependant, si on souhaite prendre en compte d'autres forces telles que la poussée d'Archimède ou si on souhaite étudier l'équilibre d'un corps dans un référentiel en mouvement dans le référentiel terrestre, on parle dans ce cas de poids apparent.

L'unité du poids est le Newton d'après le Système International.

La poussée d'Archimède

La poussée d'Archimède est un phénomène physique qui décrit le comportement de tout corps plongé dans un fluide qu'il soit liquide ou gazeux soumis à un champ de gravité.

Elle est nommée ainsi en l'honneur d'Archimède de Syracuse, un très grand scientifique grec de 200 avant J.-C.

Elle est causée par l'augmentation de la pression du fluide avec la profondeur. Comme la pression exercée sur la partie basse du corps est supérieure à celle exercée sur la partie haute, le corps est poussé verticalement vers le haut.

Voici la formulation d'origine de cette loi physique :

Tout corps plongé dans un fluide au repos, entièrement mouillé par celui-ci ou traversant sa surface libre, subit une force verticale, dirigée de bas en haut et opposée au poids du volume de fluide déplacé ; cette force est appelée poussée d'Archimède.

Pour que le théorème s'applique il faut que le fluide immergeant et le corps immergé soient au repos. Il faut également qu'il soit possible de remplacer le corps immergé par du fluide immergeant sans rompre l'équilibre.

Voici l'équation qui en résulte :

    \[ \overrightarrow { P } _ { A } = M _ { f } \overrightarrow { g } \]

Avec :

  • Mf la masse du fluide contenu dans un volume V et déplacé ;
  • g la valeur du champ de pesanteur, de 9,81 N/kg à la surface de la Terre.

Quelques exemples

La poussée d'Archimède intervient dans de nombreux cas de notre vie de tous les jours.

Par exemple, c'est la poussée d'Archimède qui fait qu'on ne coule pas lorsque l'on fait la planche sur l'eau. C'est aussi grâce à elle qu'un glaçon flotte à la surface d'un verre même lorsqu'il fond.

La poussée d'Archimède est aussi très utile à de nombreux appareils flottant ou volant. C'est grâce à elle que les bateaux ne coulent et que les sous-marins peuvent gérer leur profondeur. Les ballons dirigeables et les montgolfières peuvent aussi voler dans le ciel grâce à la poussée d'Archimède et au gaz moins dense que l'air qu'ils contiennent.

Travail du poids d'un objet

Pour tout objet massique situé près de la surface terrestre, le poids peut être considéré comme une force constante.

On remarque que le travail du poids ne dépend que de l'altitude parcourue.

Une force est constante si sa valeur, son sens et sa direction sont identiques aux cours de l'étude.

Calculer le travail d'une force constante

On utilise une formule: w(f)=F*AB*cos(F,AB)

donc F est en newton,AB est une distance ne m et l'angle orienté c'est l'angle entre la force F et la force de direction AB,l'unité du travail est le joule

démonstration: un caddie est poussé sur 20 m en ligne droite sur un sol horizontal par une personne exercant une force F,sa valeur est de 30N.

-calculer le travail de la force F:

w(F)=30*20*cos(0)

=600 joules

Calculer le travail du poids

w(P)=m*g*(za-zb)

alors:m c'est  la masse en kg,g est en N/kg

et (za-zb) c'est l'altidude,la différence de hauteur entre a et b

démonstration:une pomme(de masse  253g)tombe d'un pommier de 2.5m

le travail du pds est de w(P)=0.253*9.81*2.5=6.20 joules

Comment cet exercice explique le calcul du travail d'une force ? Cet exercice met en scène les calculs que l'on peut effectuer pour calculer le travail d'une force dans le cas de figure d'une pomme qui chute d'un pommier.

Travail d'un solide en translation

Un solide est un translation lorsque tous ces points ont la même trajectoire et la même vitesse.
De ce fait, les vecteurs déplacement AB d'un point A vers un point B seront égaux.
Le travail d'une force appliquée au système sera identique pour tous les points du système et sera égal à

Puissance mécanique

Le travail mécanique représente un nombre qui traduit l'influence d'une force sur un système.
Cependant, cette influence n'est pas la même selon la durée où elle s'exécute.
Le travail nécessaire pour enfoncer un clou avec un marteau n'est pas le même selon qu'on pousse avec le marteau ou qu'on frappe.
C'est la notion de puissance. Un travail accompli aura une plus forte puissance que le même travail accompli en une durée plus longue.

Définition : La puissance mécanique moyenne associée au travail d'une force F au cours d'un déplacement AB est le rapport de ce travail WAB(F) sur la durée Δt.

L'unité internationale de la puissance est le Watt et correspond à un nombre de Joule par seconde.

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Clément

Freelancer et pilote, j'espère atteindre la sagesse en partageant le savoir que j'ai acquis lors de mes voyages au volant de ma berline. Curieux scientifique, ma soif de découverte n'a d'égale que la durée de demie-vie du bismuth 209.

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