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Troisième loi, conservation de la quantité de mouvement et équilibre des forces

Les forces vont toujours par paires : si A pousse B, alors B pousse A avec une force égale et opposée, au même instant (troisième loi). Les deux forces agissent sur des corps différents. Pour un système qui ne subit aucune force extérieure résultante, la quantité de mouvement totale reste constante : cela explique le recul, les fusées et les chocs. Un point est en équilibre quand toutes les forces qui s'exercent sur lui s'annulent ; trois forces concourantes en équilibre forment un triangle fermé.

🎬 L'histoire pas à pas

  1. Deux patineurs se poussent. Chacun ressent une poussée de 50 N, dans des sens opposés. Ils s'éloignent tous les deux. Ces forces agissent sur des corps différents.
  2. Un fusil et une balle sont au repos, donc la quantité de mouvement totale est nulle. Après le tir, la balle part vers l'avant et le fusil recule. La quantité de mouvement totale reste nulle.
  3. Un chariot en mouvement heurte un chariot au repos et ils restent collés. Additionne m × v avant et après. Le total reste égal à 6 kg m/s.
  4. Trois forces tirent sur un anneau : 3 N, 4 N et 5 N. Mets-les bout à bout. Elles forment un triangle fermé, donc la force résultante est nulle.
  5. Un poids est suspendu à deux fils. Sépare chaque tension en une partie verticale et une partie horizontale. Les parties verticales portent le poids. Les parties horizontales s'annulent.
  6. À toi de jouer : change les masses et la vitesse. Prévois la vitesse après que les chariots se collent, puis regarde.

Astuce : fais glisser la scène 3D pour la tourner. Utilise deux doigts pour zoomer.

🤔 Les doutes courants, éclaircis

Si les forces sont égales et opposées, comment quelque chose peut-il bouger ?

Chaque force agit sur un corps différent. Le patineur A ne ressent que la poussée de B, donc A bouge. B ne ressent que la poussée de A, donc B bouge.

Pourquoi la balle va-t-elle si vite alors que le fusil va si lentement ?

Les deux reçoivent la même quantité de mouvement (en valeur). La masse du fusil est 200 fois plus grande, donc sa vitesse est 200 fois plus petite.

De l'énergie cinétique est perdue quand les chariots se collent. Pourquoi la quantité de mouvement n'est-elle pas perdue ?

L'énergie peut se transformer en chaleur et en son, mais la quantité de mouvement n'a pas d'autre forme. Les forces égales et opposées pendant le choc s'annulent à l'intérieur du système.

Comment trois forces inégales peuvent-elles donner une force résultante nulle ?

Les forces s'additionnent comme des vecteurs. 3 N et 4 N à angle droit donnent une résultante de 5 N ; une force de 5 N opposée à celle-ci ferme le triangle.

Pourquoi la tension dans chaque fil est-elle plus grande que la moitié du poids ?

Seule la partie vers le haut de chaque tension (T cos 45°) porte le poids. Les parties horizontales ne soulèvent rien, donc T doit être plus grande.

La quantité de mouvement est-elle conservée si les chariots ne se collent pas ?

Oui. Qu'ils restent collés ou qu'ils rebondissent, la quantité de mouvement totale est la même avant et après. Seul le résultat pour l'énergie cinétique change.

La troisième loi de Newton

Troisième loi : à toute action correspond toujours une réaction égale et opposée. En termes simples : si un corps A exerce une force sur un corps B, alors B exerce sur A une force égale, dans le sens opposé.

FAB = − FBA

Un livre sur une table : la Terre attire le livre vers le bas (le poids) et le livre attire la Terre vers le haut ; c'est une paire. Le livre appuie sur la table et la table repousse le livre vers le haut (la force normale) ; c'est une autre paire. Ici, le poids et la force normale sur le livre sont égaux, mais ils ne forment pas une paire de la troisième loi, parce que les deux agissent sur le même corps.

Exemples : la marche (le pied pousse le sol vers l'arrière, le sol te pousse vers l'avant), la nage, l'aviron, une fusée, une balle qui rebondit.

Conservation de la quantité de mouvement

Loi : si aucune force extérieure résultante n'agit sur un système, sa quantité de mouvement totale reste constante.

Démonstration à partir de la deuxième et de la troisième loi

Deux boules A et B se heurtent. Pendant le court temps de contact Δt, A pousse B avec FBA et B pousse A avec FAB. D'après la deuxième loi, la variation de quantité de mouvement de A est ΔpA = FAB Δt, et celle de B est ΔpB = FBA Δt. D'après la troisième loi, FAB = − FBA, donc ΔpA + ΔpB = 0. La quantité de mouvement totale ne change pas :

m1u1 + m2u2 = m1v1 + m2v2

Applications

Équilibre de forces concourantes

Des forces concourantes sont des forces dont les droites d'action passent par un même point. Une particule est en équilibre quand la force résultante sur elle est nulle : elle reste au repos ou se déplace à vitesse constante.

F1 + F2 + … + Fn = 0, ce qui veut dire ΣFx = 0, ΣFy = 0 et ΣFz = 0.

Comment résoudre

Dessine le diagramme des forces du point où elles se rejoignent (un nœud, un anneau). Décompose chaque force en parties selon x et selon y. Écris que la somme selon x et la somme selon y valent zéro, puis résous.

À essayer chez toi

Fusée-ballon : enfile une paille sur une longue ficelle tendue à travers une pièce. Colle un ballon gonflé sur la paille et lâche l'ouverture. L'air file vers l'arrière, le ballon file vers l'avant (troisième loi et quantité de mouvement).

Dynamomètres : accroche deux dynamomètres l'un à l'autre et tire. Les deux affichent toujours la même valeur, quel que soit celui qui tire le plus fort.

Dans la 3D : à la dernière étape, mets m₁ = m₂ et u₁ = 4 m/s. Prévois v avant de regarder (réponse : 2 m/s).

Formules et définitions clés

Exemples résolus

1. Un fusil de 4 kg tire une balle de 20 g à 400 m/s. Trouve la vitesse de recul du fusil.

Quantité de mouvement avant = 0. Après : 4 V + 0.02 × 400 = 0 → V = −8/4 = −2 m/s. Le fusil recule à 2 m/s.

2. Un chariot de 2 kg à 3 m/s heurte un chariot de 1 kg au repos et ils restent collés. Trouve leur vitesse commune.

2 × 3 + 1 × 0 = (2 + 1) v → v = 6/3 = 2 m/s.

3. Un garçon de 50 kg saute d'une barque de 100 kg à 2 m/s vers la rive. La barque était au repos. Trouve la vitesse de la barque.

0 = 50 × 2 + 100 × V → V = −1 m/s. La barque s'éloigne de la rive à 1 m/s.

4. Un obus de 3 kg au repos explose en deux morceaux de 1 kg et 2 kg. Le morceau de 1 kg part à 20 m/s. Trouve la vitesse de l'autre morceau.

0 = 1 × 20 + 2 × v → v = −10 m/s : 10 m/s dans le sens opposé.

5. Deux forces de 6 N (vers l'est) et 8 N (vers le nord) agissent sur un anneau. Quelle troisième force maintient l'anneau en équilibre ?

Résultante des deux = √(6² + 8²) = 10 N, vers le nord-est, à tan⁻¹(8/6) ≈ 53° de l'est. La troisième force vaut 10 N, exactement dans le sens opposé.

6. Une masse de 10 kg est suspendue à deux fils, chacun à 45° de la verticale. Trouve la tension dans chaque fil (g = 9.8 m/s²).

Verticale : 2T cos 45° = 98 → T = 98/(2 × 0.707) ≈ 69.3 N. Les parties horizontales T sin 45° s'annulent.

7. Une masse de 6 kg est suspendue à un fil. Une force horizontale la tire jusqu'à ce que le fil fasse 30° avec la verticale. Trouve la force et la tension (g = 10 m/s²).

Verticale : T cos 30° = 60 → T = 60/0.866 ≈ 69.3 N. Horizontale : F = T sin 30° = 69.3 × 0.5 ≈ 34.6 N (= 60 tan 30°).

Erreurs fréquentes

Quiz d'entraînement

1. L'action et la réaction s'exercent sur :
2. La conservation de la quantité de mouvement est valable quand :
3. Un fusil recule lentement par rapport à la balle parce que :
4. Trois forces en équilibre dessinées bout à bout forment :
5. Quand on marche, la force qui nous fait avancer est :

Entraînement : réponds toi-même

Écris ou choisis ta réponse, puis appuie sur Vérifier. Prends un indice si tu bloques ; la solution complète s'affiche après ta réponse.

Questions fréquentes

Qu'est-ce que la troisième loi de Newton, avec un exemple ?

Chaque force a une partenaire égale et opposée sur l'autre corps. Quand tu sautes d'une barque, tu pousses la barque vers l'arrière et la barque te pousse vers l'avant.

Comment démontre-t-on la conservation de la quantité de mouvement ?

À partir de la deuxième et de la troisième loi : pendant un choc, les forces sur les deux corps sont égales et opposées, donc leurs variations de quantité de mouvement sont égales et opposées et leur somme est nulle.

Quelle est la condition d'équilibre de forces concourantes ?

La somme vectorielle de toutes les forces doit être nulle, donc la somme de leurs composantes selon x et la somme de leurs composantes selon y valent chacune zéro.

Où c'est enseigné

ItalySecondaria di secondo grado – classe 3ªClassical physics
ItalySecondaria di secondo grado – classe 4ªClassical physics
RomaniaClasa a IX-aVariation theorems and conservation laws in mechanics
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Ukraine10 класMechanics
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CBSE (India)Class 11Laws of Motion
England (GCSE, A level)Year 116.5 Forces
England (GCSE, A level)Year 114.5 Forces
USA (Common Core, NGSS, AP)Grade 11Force and Translational Dynamics
USA (Common Core, NGSS, AP)Grade 11Linear Momentum
USA (Common Core, NGSS, AP)Grade 12Force and Translational Dynamics
USA (Common Core, NGSS, AP)Grade 12Linear Momentum
USA (Common Core, NGSS, AP)Grade 12Forces and interactions
Japan高校2年Various motions
South Korea고등학교 2학년Force and energy
South Korea고등학교 3학년Mechanics and energy
Germany (Bavaria)Jahrgangsstufe 10Conservation of momentum in mechanics
Russia9 классMechanical phenomena
Russia9 классMechanical phenomena
Russia10 классMechanics: conservation laws
Russia10 классMechanics: conservation laws
China高一Compulsory 1 Ch.3 Forces
China高二Selective 1 Ch.1 Momentum

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