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Bases physiques
O Bases physiques
1.1. Les principes de Newton Les principes de l'inertie, de l'action et de la reaction constituent la base des lois physiques qui interviennent àski. Ces principes font intervenir des forces. II est important de noter que l'effet d'une force ne depend pas seulement de son intensite, mais 1.1.1. Le principe d'inertie L'inertie est une propriétécommune àtous les corps. Elle est la raison pour laquelle tout corps se maintient au repos ou dansle mêmemouvement rectiligne uniforme (on entend par làque le corps se déplaceàvitesse constante le long d'une ligne droite)
1.1.2. Le principe d'action Les corps qui se meuvent librement sont accéléréspar des forces. Laforce qui agit sur un corps, la masse de ce corps et son accélération*sontjiés par une relation. Cette relation est le principe d'action: F=m-a. 1.1.3. Le principe de reaction Si un corps agit avec une force Fi sur un autre corps cet autre corps agit sur le premier avec une force opposee Fa d'egale intensité. Exemple: • La force d'action Fi est ici le poids du skieur et de son équipement. • La force de reaction Fz est exercee par le sol sur le skieur. aussi de la direction dans laquelle elle agit (vecteurs, voir 1.1.4.) (la direction entre aussi en ligne de compte pour les vitesses, les accélérationset les moments de rotation).
tant qu'aucune force ne le contraint àmodifier son état de mouvement. Ce n'est que par l'effet de forces que l'etat de mouvement (vitesse instantanée)d'un corps peut êtremodifié.
F: force, m: masse, a: accélération
ÇG : Centre de gravité Forced'action Fa: Forcederéaction
1.1.4. Les forces sont des grandeurs qui ont une direction (vecteurs) L'intensiténe suffit pas pour déterminerentièrementune force, sa direction entre aussi en ligne de compte. Une force peut etre représentéegraphiquement par une flèche. La direction de la flèchereprésentela direction de la force, la longeur de la flèche indique l'intensitéde cette force.
On utilise le symbole F pour une force lorsque la direction et l'intensitésont données.L'intensitéde laforce est alors représentéepar la lettre F seule.
L'unitéde force est le newton N. Un newton est la force qu'il faut faire agir sur un corps pour que son accélérationsoit de 1 m/s2. Exemples: • La terre exerce une forme d'attraction d'environ 9,81 N sur un corps dont la masse est 1 kg. • Une plaque de chocolat de 100 g, tenue dans la main, exerce sur celle-ci une force d'environ 1 N.
F: Force(l'intensitéet ladirection) F: L'intensitédela force
* Toute modification de la vitesse est une accélération.Lors d'un mouvement décéléré(diminution de la vitesse), l'accélérationest opposée au mouvement (accélérationnégative).Lors d'un changement de direction, l'intensitéde lavitesse peut rester la meme (par exemple dans un virage), il y a quand mêmeaccélération du mouvement. C'est la direction de la vitesse qui change. Cette accélérationest alors dirigéevers le centre de la courbe. II n'y a pas de changement de direction sans une force d'accélération(force centripete : Fcp).
1.1.5. L'addition et la decomposition des forces On doit souvent considerer plusieurs forces simultanement pour décrirela trajectoire d'un corps.
Pour connaître, par exemple, l'effet de deux forces Fi et Fz agissant en un meme point, il faut les additionner. On recherche une force résultanteou résultanteR qui ait le meme effet que les deux forces reunies. Fi + Fz = R.
Graphiquement, on obtient cette resultante àl'aide du parallélogrammedesforces.
La décompositiond'une force R en deux composantes Fi et FÏ, dont les directions sont données,s'obtient aussi àl'aide du parallélogrammedes forces.
R: Résultantede FI et
F2
ffîtH % 11 :i :-;; rT. ffî i-1 •Ttî !w
t. ä fflïRîB ÏJ Ïtî fflffi ffiS 'i-^^i^i^n.
'r't i Fi.Fa: Composantes defr
iss
::'l
ä
Exemples:
§5}B§t • L'addition de P (poids) et de Fcf (force centrifuge) donne la E!:l:SStÜ
Résuttantedu poids et de la force centrifuge. ÇG : Centre de gravité ß: Poids ?cl: Force centrifuge fi: Résultante
• P (poids) et Fcf (force centrifuge) agissent ici dans des sens opposés^maisselon la mêmedirection. La résultanteR de
P et de Fcf est aussi dans la meme direction.
ÎS
:i:1^' w
^cfJ
ÇG:Centredegravité P: Poids ?cf: Forcecentrifuge fi: Résultante
1.2. Forces internes et externes
Forces internes.
Pour l'analyse des mouvements du skieur, nous distinguerons les forces internes et les forces externes.
Les forces internes sont les forces entre les diverses parties du corps (forces musculaires, forces de frottement àl'interieur des articulations, etc.). L'etat de mouvement du centre de gravitédu corps ne peut êtremodifiépar les seules forces internes. Elles modifient, tout au plus, les positions des diverses parties du corps les unes par rapport aux autres. Comme le skieur est, en général,en contact avec le sol, les forces internes font apparaître des forces de réactionexternes.
Les forces e^temesagissent entre le milieu environnant et le corps (poids, forces de reaction, etc.).
Forces externes. ÇG : Centre de gravité P: Poids Ff: Forcedefrottement Fr: Résistancedel'air
1.2.1. Le poids P Sur la terre, tout corps est attire par une force P (poids) vers le centre le la terre.
L'effet du poids P sur un skieur immobile se traduit par l'aplatissement du cintre des skis et par le tassement de la neige.
D'après le principe de réaction, le poids P engendre une force de réaction.Cette force est exercee par le sol sur le skieur perpendiculairement au sol. Elle s'appelle force normale N.
L'effet du poids. ÇG:Centredegravité P: Poids lî: Forcenormale
Le poids P et la force normale IÎ agissent aussi sur le skieur lors d'une descente dans la ligne de pente. De ces deux forces réuniesrésultelaforce de pousséeFpqui provoque l'accélération du skieur dans la direction de ja pente.
Comme la résultantede P et N apparaît mieux lorsque ces forces agissent au meme point, la force normale N, qui agit en A sur les skis, a étédéplacéeici le long de sa ligne d'action. L'effet de la force normale reste le meme.
La descente dans la ligne de pente. ÇG : Centre de gravité P: Poids N: Forcenormale Fp: Forcepoussée A: Pointoùagitlaforce normale —:Ligned'actiondela force normale
1.2.2. La force de frottement Ff Lorsque l'on veut faire glisser l'un contre l'autre deux corps qui sont en contact, on observe une force qui s'oppose au mouvement, c'est la force de frottement Ff.
A ski, cette force de frottement Ff depend de la force normale N (qui agit perpendiculairement aux skis) ainsi que de l'etat de la neige et de la semelle des skis. Le coefficient de frottement p est un nombre qui depend de l'etat des deux surfaces en présence(neige et semelle des skis). II exprime l'influence de cet étatsurlaforce de frottement. On a: Ff=|rN.
[||;|g||
L'effet de la force de frottement. ÇG : Centre de gravité Ff: Forcedefrottement lî: Forcenormale
1.2.3. Résistancede l'air^r®tforce ascensionnelle ?a D'autres forces deviennent perceptibles lorsque l'on skie à grande vitesse. Elles sont provoquees par l'action du courant d'air sur le skieur. II s'agit de la resistance de l'air Fr et.de la force ascensionnelle Fa. La direction de la force Fr provoquee par la resistance.de l'air est opposéeau mouvement. La force ascensionnelle Fa réduitl'intensitéde la force normale, ce qui provoque une diminution de la pression sous la plante des pieds du skieur.
1.3. Les forces d'inertief\ A cause de l'inertie, tout corps tend àmaintenir sa vitesse constante (en intensitéet en direction). Lors de toute accélération, le skieur ressent des forces d'inertie. Leur direction est opposéeàl'accélération. Exemples: 1 Si, par exemple, un skieur est freine en passant de la piste àla haute neige, il sent une force d'inertie F; qui le tire vers l'avant. 2 Lprsdupassagedelahauteneigeàlapistejaforced'inertie ;i agit en direction contraire au mouvement et le skieur est tiréen arrière.
1.3.1. La force centrifuge Fcf Lors d'un virage (par exemple), la direction de la vitesse, qui est tangente àla trajectoire, change constamment, il apparaît donc une force d'inertie qui tire le skieur vers l'exterieur de la courbe. Cette force s'appelle la force centrifuge ?cf-
L'intensitéde cette force augmente, si la vitesse et le poids du skieur augmentent ou si le rayon de la courbe diminue. La relation exacte est donnee par la formule Fcf! Fcf: forcecentrifuge(intensité) m: masseduskieur v: vitesseduskieur(intensité) r: rayondelacourbe m-v2
Forces dont il faut tenir compte lorsque la vitesse devient grande. ÇG:Centre de gravité fr: Résistancedel'air Fa: Force ascensionnelle
L'influence des forces d'inertie. s :Centredegravité Forced'inertie
^M LL:SE£ —tr— gi S!
Dans un virage, le skieur ressent la force centrifuge. ÇG:Centredegravité Fct: Force cenfrifuge
