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Leçon 1 — Mécanique : forces, lois de Newton et travail-énergie

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Leçon 1 — Mécanique du point

Probatoire Série D · MINESEC · OBC Buéa

Objectifs de la leçon

  • Énoncer et appliquer les trois lois de Newton
  • Identifier et représenter les forces extérieures sur un solide
  • Calculer le travail d'une force et la puissance
  • Appliquer le théorème de l'énergie cinétique
  • Utiliser la conservation de l'énergie mécanique

1. Forces et leurs caractéristiques

Une force est caractérisée par 4 éléments : point d'application, direction, sens, intensité (en N). Sur un solide, on identifie : poids (action distance), contact normal, frottements, tension, action de l'air.

ForceCaractéristiquesExemple CM
Poids PVerticale ↓, P=mgSac de cacao 50 kg : P=500 N
Normale NPerpendiculaire au supportCaisse sur table
Tension TSelon le fil/ressortTension corde grue Port de Douala
Frottement fOpposée au mouvementPneus sur route boueuse Mbalmayo

2. Les trois lois de Newton

  1. 1ère loi (inertie) : dans un référentiel galiléen, un solide isolé ou pseudo-isolé conserve sa vitesse vectorielle
  2. 2ème loi (PFD) : Σ Fext = m · a (vectoriel)
  3. 3ème loi (actions réciproques) : si A exerce FA→B sur B, alors B exerce FB→A = −FA→B sur A

Application 1 — Voiture sur route plate

Une voiture de 1200 kg roule à 90 km/h. Le moteur exerce une force motrice F=2000 N, les frottements 600 N. Calculer l'accélération.

Solution : ΣF = F - f = 2000 - 600 = 1400 N. a = ΣF/m = 1400/1200 ≈ 1,17 m/s².

3. Travail et puissance

Travail d'une force constante : W = F·d·cos(θ). Unité : joule (J). Puissance : P = W/Δt, en watts (W).

3.1 Théorème de l'énergie cinétique

ΔEc = Σ W(Fext) — référentiel galiléen exigé.

3.2 Énergie mécanique

Em = Ec + Ep. Si seules les forces conservatives travaillent, Em est conservée.

Application 2 — Plongeoir de Kribi

Un plongeur de 70 kg saute d'un plongeoir à 5 m de hauteur. Vitesse à l'impact ?

Solution : Conservation : mgh = (1/2)mv² ⇒ v=√(2gh)=√(100)=10 m/s.

Pièges OBC :
  • Oublier le caractère vectoriel des forces (somme algébrique vs vectorielle)
  • Confondre travail moteur (W>0) et résistant (W<0)
  • Appliquer la conservation Em en présence de frottements

Points-clés à retenir

  • 1ère loi : isolé ⇒ MRU ou repos
  • 2ème loi : ΣF = ma
  • 3ème loi : action = -réaction
  • W = F·d·cos θ · P = W/Δt
  • ΔEc = ΣW · Em conserve si pas de frottement

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