Physique des collèges: OpenStax

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Résumé

  • Énoncez la première condition d’équilibre.
  • Expliquer l’équilibre statique.
  • Expliquer l’équilibre dynamique.

La première condition nécessaire pour atteindre l’équilibre est celle déjà mentionnée: la force externe nette sur le système doit être nulle. Exprimé sous forme d’équation, il s’agit simplement de

\boldsymbol {\textbf {net F}=0}

Notez que si net\boldsymbol {F} est nul, alors la force externe nette dans n’importe quelle direction est nulle. Par exemple, les forces externes nettes le long des axes x et y typiques sont nulles. Ceci est écrit comme

\boldsymbol{\textbf{net}F_x=0\textbf{ and}F_y= 0}

Les figures 1 et 2 illustrent des situations où \boldsymbol{\textbf{net}F=0} pour l’équilibre statique (immobile) et l’équilibre dynamique (vitesse constante).

Sur la figure, un homme stationnaire est debout sur le sol. Ses pieds sont distants. Ses mains sont à sa taille. Le côté gauche est étiqueté comme net F est égal à zéro. Sur le côté droit, un diagramme de corps libre est représenté avec un point et deux flèches, l'une verticalement vers le haut étiquetée comme N et l'autre verticalement vers le bas étiquetée comme W, à partir du point.
Figure 1. Cette personne immobile est en équilibre statique. Les forces agissant sur lui s’additionnent à zéro. Les deux forces sont verticales dans ce cas.
Une voiture en mouvement est montrée. Quatre vecteurs normaux à chaque roue sont représentés. Sur la roue arrière, une flèche vers la droite marquée comme appliquée F est représentée. Une autre flèche, qui est étiquetée comme f et pointe à gauche, vers l'avant de la voiture, est également affichée. Un vecteur vert en haut de la voiture montre le vecteur vitesse constante. Un diagramme de corps libre est montré à droite avec un point. À partir du point, le poids de la voiture est vers le bas. Le vecteur de force de frottement f est vers la gauche et le vecteur de force appliquée est vers la droite. Quatre vecteurs normaux sont affichés vers le haut au-dessus du point.
Figure 2. Cette voiture est en équilibre dynamique car elle se déplace à vitesse constante. Il y a des forces horizontales et verticales, mais la force externe nette dans n’importe quelle direction est nulle. La force appliquée entre les pneus et la route est équilibrée par le frottement de l’air, et le poids de la voiture est soutenu par les forces normales, ici montrées égales pour les quatre pneus.

Cependant, il ne suffit pas que la force externe nette d’un système soit nulle pour qu’un système soit en équilibre. Considérons les deux situations illustrées à la figure 3 et à la figure 4 où des forces sont appliquées à un bâton de hockey couché à plat sur la glace. La force extérieure nette est nulle dans les deux situations représentées sur la figure; mais dans un cas, l’équilibre est atteint, alors que dans l’autre, il ne l’est pas. Sur la figure 3, le bâton de hockey sur glace reste immobile. Mais sur la figure 4, avec les mêmes forces appliquées à différents endroits, le bâton subit une rotation accélérée. Par conséquent, nous savons que le point auquel une force est appliquée est un autre facteur pour déterminer si l’équilibre est atteint ou non. Cela sera exploré plus en détail dans la section suivante.

Un bâton de hockey est montré. Au milieu du bâton, deux vecteurs de force de couleur rouge sont représentés, l'un pointant vers la droite et l'autre vers la gauche. La ligne d'action des deux forces est la même. Le haut de la figure est étiqueté comme la force nette F est égale à zéro. En bas à droite du diagramme du corps libre, un point avec deux vecteurs horizontaux, chacun étiqueté F et dirigé à l'écart du point, est représenté.
Figure 3. Un bâton de hockey sur glace posé à plat sur la glace avec deux forces horizontales égales et opposées qui lui sont appliquées. Le frottement est négligeable et la force gravitationnelle est équilibrée par le support de la glace (une force normale). Ainsi, net F = 0. L’équilibre est atteint, ce qui est un équilibre statique dans ce cas.
Un bâton de hockey est montré. Les deux vecteurs de force agissant sur le bâton de hockey sont représentés, l'un pointant vers la droite et l'autre vers la gauche. Les lignes d'action des deux forces sont différentes. Chaque vecteur est étiqueté comme F. En haut et en bas du bâton, il y a deux flèches circulaires indiquant le sens horaire de la rotation. En bas à droite du diagramme du corps libre, un point avec deux vecteurs horizontaux, chacun étiqueté F et dirigé à l'écart du point, est représenté.
Figure 4. Les mêmes forces sont appliquées en d’autres points et le bâton tourne — en fait, il subit une rotation accélérée. Ici net F = 0 mais le système n’est pas à l’équilibre. Par conséquent, le net F = 0 est une condition nécessaire — mais pas suffisante — pour atteindre l’équilibre.

EXPLORATIONS PHET: TORQUE

Étudiez comment le couple provoque la rotation d’un objet. Découvrez les relations entre accélération angulaire, moment d’inertie, moment angulaire et couple.

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Figure 5. Couple
  • La statique est l’étude des forces en équilibre.
  • Deux conditions doivent être remplies pour atteindre l’équilibre, qui est défini comme un mouvement sans accélération linéaire ou rotative.
  • La première condition nécessaire pour atteindre l’équilibre est que la force externe nette sur le système doit être nulle, de sorte que \boldsymbol{\textbf{net}F = 0}.

Questions Conceptuelles

1: Que pouvez-vous dire de la vitesse d’un corps en mouvement qui est en équilibre dynamique? Dessinez un croquis d’un tel corps à l’aide de flèches clairement étiquetées pour représenter toutes les forces externes sur le corps.

2: Dans quelles conditions un corps tournant peut-il être en équilibre? Donnez un exemple.

Glossaire

équilibre statique état d’équilibre dans lequel la force externe nette et le couple agissant sur un système sont nuls équilibre dynamique état d’équilibre dans lequel la force externe nette et le couple sur un système se déplaçant à vitesse constante sont nuls

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