TP – Moment d`une force, moment d`un couple et - Physique

Thème 2 : Transport
Chapitre 2
TP – Moment d'une force, moment d'un couple et équilibre des moments
Objectifs du TP :
 Comprendre la notion de moment d'une force
 Comprendre la notion de couple de forces et de moment d'un couple
 Savoir déterminer s'il y a équilibre des moments
Dans tout ce TP, on s'intéresse aux forces appliquées sur un objet qui ont tendance à faire tourner l'objet sur lui même.
Introduction
Une personne cherche à visser un boulon. Pour cela, elle va appliquer une force F d'intensité fixée. Elle peut s'y prendre d'au moins deux
façons. Soit elle saisit la clé à molette au milieu du manche. Soit elle saisit la clé à molette à l'extrémité du manche.
Cas 2
Cas 1
Dans quel cas la force exercée sera-t-elle la plus efficace pour visser le boulon ?
I – Notion de moment d'une force
Matériel à disposition : potence métallique ; barre sur laquelle est vissé un axe aimanté ; boîte de masses marquées ; dynamomètres de 1 N


1.
2.
3.
Régler le zéro du dynamomètre celui-ci étant à la verticale.
Réaliser le montage représenté ci-dessus. La force exercée par le dynamomètre doit avoir une direction perpendiculaire à la barre
métallique.
Que se passe-t-il si le dynamomètre n'exerce aucune force sur la barre métallique ?
Représenter la force appliquée par le dynamomètre sur la barre sur le schéma ci-dessus, sans souci d'échelle et indiquer dans quel sens
cette force tend à faire tourner la barre métallique.
On veut mesurer l'intensité de la force appliquée par le dynamomètre sur la barre qui permet de la maintenir en équilibre horizontal
suivant la position du dynamomètre. Compléter le tableau suivant :
Distance d (m) entre l'axe et le point d'attache du
dynamomètre
Force F (N)
Produit F x d (en N.m)
OA =
OB =
OC =
4.
Quelle remarque peut-on faire sur les valeurs des forces et les distances d correspondantes ?
5.
Que constate-t-on concernant la valeur du produit F x d à l’équilibre ?
6.
Représenter la force exercée par la masse sur la barre sans souci d'échelle et calculer son intensité Fmasse/barre.
7.
Calculer le produit Fmasse/barre x OG
8.
Commenter votre résultat.
Cas où la droite d’action de la force n’est pas perpendiculaire à la barre métallique
α



Accrocher le dynamomètre à l’extrémité de la barre en A et l'incliner en s'arrangeant à ce que la barre soit en équilibre à l'horizontale.
Mesurer l’angle  à l’aide d’un rapporteur ; mesurer la valeur de F, l'intensité de la force exercée par le dynamomètre sur la barre et
compléter la première colonne du tableau ci-dessous.
Recommencer l'expérience en variant l'angle .
Angle  (en °)
Distance d (m)
d = OA x sin 
Force F (N)
Produit F x d
9.
Commenter vos résultats.
Le moment d'une force F exercée sur un solide par rapport à un axe () est une grandeur qui caractérise l'effet de cette force sur la rotation du
solide autour de l'axe ().
On le note M (F) . Il est orienté dans la direction de  l'axe de rotation
La valeur du moment de la force par rapport à l'axe  vaut
M (F) = F × d
où d (en m) est le "bras de levier", c'est-à-dire la distance entre l'axe de rotation et la droite portant la force (voir schémas ci-dessous)
et F est l'intensité de la force en N.
(Sur ces schémas, l'axe () est perpendiculaire au plan de la feuille)
Applications :
10. Calculer le moment de la force F exercée sur la clé si F = 50 N et OB = 20 cm.
11. Cochez la (ou les) réponse(s) correcte(s). (Faites des schémas si vous avez du mal à vous représenter la situation)
a) Un solide est mobile autour de l’axe , une force appliquée au solide est parallèle à . Alors, la force :
 s’oppose à la rotation du solide autour de son axe
 favorise la rotation du solide autour de son axe
 n’a aucun effet de rotation sur le solide.
b) Une poignée de porte n’est jamais placée au voisinage de l’axe de rotation formé par les gonds pour :
 raccourcir le bras de levier
 allonger le bras de levier
 des raisons d’encombrement.
c) Le moment d’une force par rapport à un axe est nul si :
 la droite d’action de la force (= la direction de la force) coupe l’axe de rotation.
 la distance entre la droite d’action de la force et l’axe de rotation est très grande
 l’intensité de la force est trop importante.
d) Un cycliste exerce sur la pédale de son vélo une force de 360 N.
La longueur de la manivelle du pédalier est 18,0 cm.
Le moment de la force par rapport à l’axe de rotation  est :
 M ( F ) = 6 480 Nm
 M ( F ) = 20 Nm
 M ( F ) = 64,8 Nm
 M ( F ) = 2 000 Nm
II – Equilibre des moments
Pour qu’un solide mobile autour d’un axe  soit en équilibre, il faut que la somme des moments des forces qui tendent à faire tourner le solide
dans un sens soit égale à la somme des moments des forces qui tendent à le faire tourner dans l’autre sens.
12. Application : Calculer le moment du poids de chaque enfant
par rapport à l'axe de rotation de la balançoire passant par O et
déterminer si la balançoire est en équilibre.
Nina :
m1 = 10 kg
d1 = 0,40 m
Lili :
m2 = 20 kg
d2 = 0,20 m
Léo :
m3 = 20 kg
d3 = 0,50 m
III – Couple de forces
On parle de couple de forces lorsque :
 deux forces sont opposées (= leur résultante est nulle) : elles ont donc même
direction, même intensité et des sens opposés
 la somme des moments de ces deux forces (= le moment résultant) est non
nulle.
Exemples :
Un couple de forces ( F 1, F2 ) d'intensité F (en N), exercées sur un solide, peut mettre ce
solide en rotation autour d'un axe () ou modifier sa vitesse de rotation.
Le moment M de ce couple de forces vaut
M = F.d
où d, est la distance en m entre les droites portant les forces.
13. Un tournevis dont la lame mesure 5 mm de large exerce sur une vis deux forces de valeurs égales à 25 N. Représenter ces 2 forces sur le
schéma ci-dessous, et calculer, en N.m, le moment du couple appliqué à la vis.