TP 4
Auteur: Olivier Musset, Maître de conférences, université de Bourgogne
Les simulations par applets Java proviennent du site de Jean-Jacques Rousseau de l'Université du Maine:
Mécanique : équilibre, mesures de forces
L’objectif de ce TP est de rappeler les notions fondamentales en mécanique statique telles que la notion de force, la notion d’équilibre, etc.…
I) Comment mesurer des forces avec un dynamomètre
Objectifs
Observer la conception des deux dynamomètres et la valeur qu’ils indiquent dans différentes positions.
Régler les dynamomètres pour des positions variées.
Mesurer la force exercée par un objet accroché à ces dynamomètres.
Manipulations
Tenir le dynamomètre 2N d’abord verticalement, puis horizontalement et enfin complètement renversé. Observer et noter l’indication du dynamomètre.
Tenir le dynamomètre 2N verticalement mais la partie opaque en bas, et régler son indication de la manière suivante :
Desserrer la vis de la tête du dynamomètre et tourner le crochet jusqu’à ce que la marque soit exactement à zéro. Resserrer la vis.
Tenir le dynamomètre verticalement, puis horizontalement et lire pour les deux positions la valeur indiquée. Reporter les valeurs des mesures dans un tableau.
Régler à zéro le dynamomètre 2N (position verticale) et suspendre le fil associé au porte masse. Noter les valeurs obtenues avec zéro, une et deux masses suspendues. Faire les mêmes mesures avec le dynamomètre 1N. Conclure.
II) Mesure du poids d’une masse
Objectifs
Déterminer, à l’aide d’un dynamomètre, la force que subit une masse (le poids à fente) sur la terre.
Etablir le diagramme Fg en fonction de m avec les valeurs mesurées.
Manipulations
Utiliser le montage à rail incliné, enlever le rail et suspendre verticalement le dynamomètre à une tige. Veiller à ce que l’ensemble dynamomètre plus masse ne touche pas la table.
Le dynamomètre étant accroché seul, régler celui-ci à zéro.
Le réglage de zéro fait, on suspend tout d’abord le porte-poids (m=10g) à l’extrémité du dynamomètre. Lire alors la valeur de la force.
Ajouter plusieurs fois 10g sur le porte poids jusqu’à atteindre une masse de 100g. On notera à chaque fois la valeur de la force mesurée que l’on reportera dans un tableau.
Tracer la courbe Fg en fonction de m. Quelle est la nature de la courbe obtenue ? Donner l’équation type de cette courbe. Proposer deux méthodes pour déterminer les paramètres de cette équation.
Donner un sens physique à ces paramètres. Comparer la valeur obtenue avec la valeur usuelle. Obtiendriez-vous la même valeur sur une autre planète du système solaire ? Si non, quelles seraient les différences observables ?
III) Quelle est la force qui tire un chariot sur une pente ? Force de réaction - projection des forces.
Objectifs.
Un chariot est posé sur une piste inclinée. Déterminer les composantes tangentielles Ft et normale Fn de la force.
Déterminer la force Ft qui fait descendre le chariot ainsi que la force Fn .
Manipulations.
Monter la piste inclinée sur la tige à une hauteur choisie par vos soins. Fixer le dynamomètre 1N au chariot d’une part et à la deuxième tige verticale d’autre part (voir photo de l’expérience). Fixer le dynamomètre à la tige support sur le chariot avec un fil nylon.
Relever d‘abord avec les dynamomètres la force Fg du chariot seul puis avec une masse de 50g puis avec 100g.
Pour la hauteur de rail choisie, noter : les longueurs des projections verticales et horizontales de la piste. En déduire l’angle d’inclinaison de la piste avec l’horizontale.
Soulever légèrement le chariot sans poids supplémentaire avec le dynamomètre 2N de manière à ce que ses roues quittent juste la piste. On fera attention à toujours tirer verticalement par rapport à la piste. Lire alors les valeurs indiquées sur chaque dynamomètre, refaire la mesure plusieurs fois et faire une moyenne.
Refaire la même mesure avec maintenant une masse supplémentaire sur le chariot de 50g puis 100g.
Changer la hauteur du rail au moins deux fois et refaire les mesures précédentes. On regroupera l’ensemble des mesures dans un tableau judicieusement choisi.
Calculer les rapports Fn/Fg et Ft/Fg . Comparer ces rapports à (cosa) et (sina) avec a l’angle au sommet entre le rail incliné et la planche horizontale. Que concluez-vous ?
A l’aide d’un schéma approprié, représenter les différentes forces présentes. En expliquant pourquoi le chariot ne tombe pas, donner un nom aux forces intervenant dans cet équilibre.
IV) A quel moment bascule une tour ?
Objectifs.
Déterminer à quel moment un objet sur lequel on applique une force bascule.
Manipulations.
Positionner le bloc sur le support comme indiqué sur la photo suivante. Accrocher le dynamomètre, positionné horizontalement, au bloc d’un côté et le tenir dans la main de l’autre. Tirer doucement et continûment le dynamomètre à la main en le maintenant parallèlement à la table. Qu’observez vous ?
On accroche maintenant à l’axe passant par le centre de gravité du bloc un fil avec un poids. Refaire la manipulation précédente en notant l’angle obtenu entre le trait vertical sur le bloc et la verticale définie par le fil. Faire trois dessins correspondants respectivement à : la position au repos, une position où le bloc est en équilibre sur une arrête et une position ou le bloc est en train de chuter. Placer sur ces dessins le vecteur correspondant au poids de l’objet placé au centre de gravité.
Proposer après réflexion les conditions nécessaires pour faire chuter l’objet.
V) Forces de frottements.
Objectifs.
Mesurer la force de frottement statique en fonction des matériaux, comparer cette valeur à la force dynamique.
Manipulations.
Placer le bloc comme indiqué sur la photo suivante, accrocher le dynamomètre à une des extrémités en le maintenant horizontal avec la main. Proposer une méthode pour mesurer la force de frottement statique (sans mouvement) du bloc sur la table. Cette méthode définie, l’appliquer aux deux faces du bloc (côté plexiglas et côté caoutchouc). Que concluez-vous ?
Proposer une méthode pour mesurer la fore de frottement dynamique à vitesse constante du bloc sur la table. Faire la manipulation pour les deux faces du bloc. Comparer les résultats et conclure.
Comparer les valeurs obtenues en statique et en dynamique pour les deux faces. On pourra refaire la même manipulation en plaçant le bloc sur les rouleaux, on en déduira alors pourquoi les voitures ont des roues et les bulldozers des chenilles.
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