LA FORCE D`INERTIE
Contents
1. Lors d un freinage puissant ou d une collision tout passager de voiture a l impression d tre plaqu contre la ceinture de s curit comme anim d une force apparente Cette force apparente c est la force d inertie bien s r mais il ne s agit l encore que d une impression En r alit cette force n existe pas plus dans cette exp rience l que dans les autres Alors d o vient cette impression Voici l explication correcte Lorsque le conducteur appuie sur la p dale de freins la voiture est soumise la force de freinage qui s exerce sur les pneumatiques au contact du sol Cette force se transmet ensuite aux roues au ch ssis la carrosserie et tous ses accessoires Les objets solidement fix s la carrosserie subissent cette force int gralement et sans retard l arrimage consistant justement donner les moyens la carrosserie de communiquer cette fameuse force Or ce n est pas le cas des passagers qui bien qu assis sur leurs si ges gardent tout de m me une certaine libert de mouvement Lorsque la voiture commence ralentir les passagers conservent donc leur vitesse initiale tout comme la mascotte dans l exp rience pr c dente et ce jusqu ce que les ceintures de s curit leur communiquent cette fameuse force de freinage Dans cet exemple les ceintures de s curit jouent pour les passagers le m me r le que la ficelle pour la mascotte Les passagers d une v2. d une masse quelconque tentez l exp rience et vous conviendrez que cette exigence seule suffirait prouver le caract re irr el de la force d inertie Trois bonnes raisons pour affirmer de fa on claire nette et d finitive que la force d inertie n existe pas Calcul de la force d inertie Peut on calculer l intensit de la force d inertie Oui il est tout fait possible de calculer l intensit d une force imaginaire c est dire l intensit d une force qui n existe pas mais qu il faudrait solliciter si Les physiciens adorent ce genre d exercice Cependant en ce qui concerne la force d inertie la d marche habituelle n est pas la bonne voici pourquoi Commen ons par le commencement en science un bon principe consiste se demander d o vient la valeur qu on a sous les yeux ce qu elle repr sente et comment elle a t obtenue Un principe de tra abilit en quelque sorte Car avant tout calcul un physicien doit r aliser des exp riences d finir des rep res et effectuer des mesures C est le cheminement le plus important Les calculs ne viennent qu ensuite mais ils se basent forc ment sur des mesures concr tes des valeurs num riques dont on peut garantir l origine et la signification bref des grandeurs qui existent vraiment Ce n est qu ult rieurement par la gr ce d un raisonnement purement th orique que le physicien pourra transposer son raisonnement l tude d
3. c est bien une force apparente c est dire une force fictive servant expliquer un mouvement qui se manifeste uniquement dans le cadre d une description purement imaginaire En r alit la force d inertie n existe pas n existe nulle part n existe jamais La force d inertie est une force purement imaginaire elle serait th oriquement capable de faire bouger le ballon sans qu il soit n cessaire de d marrer le camion La mascotte suspendue au r troviseur Voici une autre exp rience facile r aliser et tr s souvent interpr t e tort comme apportant la preuve de l existence de la force d inertie Il suffit de suspendre une mascotte ou un pendule quelconque au r troviseur int rieur d une voiture En ligne droite et vitesse constante la mascotte n est soumise qu la seule force de gravitation elle reste donc strictement immobile et indique une verticale parfaite Mais lors des variations de vitesse ou de trajectoires la mascotte s incline D o vient ce mouvement Voici l explication correcte D taillons ce qui se passe au d marrage de l int rieur de la voiture on constate que la mascotte s incline vers l arri re on a l impression qu elle est anim e d une force apparente ce terme soulignant bien qu il s agit l d une observation valable uniquement dans le r f rentiel voiture Mais en r alit dans le r f rentiel Terre la mascotte n a aucune raison de bouger sans qu une force
4. un ph nom ne imaginaire Car il ny a pas il ne peut pas y avoir de force imaginaire sans force r elle Mais l inverse n est pas vrai la force de traction ou de freinage peuvent parfaitement tre consid r es seules dans une s rie d exp riences et de mesures par exemple tandis que la force d inertie elle est toujours obligatoirement tributaire d une force de traction ou de freinage D s lors il est strictement interdit d voquer la force d inertie sans expliquer d o elle vient ce qu elle repr sente et comment elle a t obtenue Les lois physiques de l automobile www adilca com association adilca www adilca com Bref s il est tout fait possible de parler de la force de traction ou de freinage seule il est interdit de parler de force d inertie sans parler de force de traction ou de freinage En d autres termes pour arriver une force imaginaire il faut partir d une force r elle La tra abilit du raisonnement c est a Ce sont les d tails de cette d marche somme toute tr s logique qui sont souvent ignor s ou occult s Pour l illustrer voici un exemple concret Un exemple concret Prenons l exemple d une voiture de masse 1 500 kg qui acc l re de 0 20 m s en 10 secondes Calculons d abord l intensit de l acc l ration suppos e constante Y VIT Y 20 10 2 m s La relation fondamentale de la dynamique permet ensuite de calculer l intensit de la force d
5. physiques de l automobile www adilca com association adilca www adilca com Choisir le bon r f rentiel Ces diverses r flexions nous ram nent la th orie des r f rentiels et on peut r sumer ainsi les exp riences pr c dentes les unes sont observ es dans un r f rentiel g n ral ici la Terre et d crivent un mouvement r el les autres sont observ es dans un r f rentiel restreint ici le v hicule et d crivent un mouvement apparent Bien videmment ces deux r f rentiels sont parfaitement distincts il n est donc pas question de les confondre encore moins de les m langer voir le dossier ADILCA r f rentiels Or c est pourtant une erreur fr quente Choisir la bonne description Pour tre complet pr cisons enfin que dans un r f rentiel g n ral ici la Terre la description peut tre dynamique ou statique dans une description dynamique la masse de la voiture est acc l r e ou d c l r e gr ce la force de traction ou de freinage qui s exercent la p riph rie des pneumatiques dans une description statique la voiture est immobile on imagine alors une force fictive capable de comprimer les pneumatiques et les suspensions avec un effet comparable celui que l on observe lorsque la voiture est acc l r e ou d c l r e cette pseudo force est suppos e s exercer sur le centre de gravit de la voiture Bien videmmen
6. s non seulement aupr s des intellectuels fran ais mais aussi du corps enseignant un point tel qu on peut m me parler d une certaine fascination Et comme la plupart des professeurs de physique sont rest s confin s dans des salles de cours des amphith tres ou des laboratoires ils ont ax leur enseignement sur ces fameux concepts imaginaires Peu soucieux de pragmatisme d connect s de la r alit ils ont oubli d en d livrer le mode d emploi Bref au fil du temps et des cours les descriptions imaginaires ont irr sistiblement supplant les descriptions r elles Les lois physiques de l automobile www adilca com association adilca www adilca com Les manuels scolaires de physique Que doit on penser des manuels scolaires de physique Il suffit de jeter un coup d il sur les productions actuelles tous niveaux confondus coll ges lyc es enseignement sup rieur pour constater l ampleur du ph nom ne Le moins que l on puisse dire c est que ces manuels font la part belle aux descriptions imaginaires Cependant l honn tet la bonne foi ou les bonnes intentions des auteurs ne sont pas en cause En effet la plupart de ces ouvrages ayant t r dig s par des th oriciens et non par des hommes de terrain il est tout fait logique d y retrouver les descriptions des uns au d triment de celles des autres voir le dossier ADILCA Cessac et Tr herne Ajoutons que lorsqu il s agit de r d
7. s exerce sur elle Elle reste donc immobile compl tement inerte tout comme le ballon dans la benne du camion et ce jusqu au moment o l acc l ration de la voiture lui est transmise D o vient cette acc l ration et comment est elle transmise L acc l ration de la voiture provient de la force de traction qui s exerce sur les pneumatiques des roues motrices au contact du sol Cette force est transmise ensuite au reste de la voiture et tout ce qu elle contient par l interm diaire des roues du ch ssis et de la carrosserie Elle parvient enfin la mascotte gr ce au r troviseur et la ficelle au bout de laquelle elle pend D o son inclinaison Les lois physiques de l automobile www adilca com association adilca www adilca com Cette force apparente c est la force d inertie Elle semble faire bouger la mascotte mais cette observation ne rel ve l encore que d une simple illusion d optique En r alit cette force n existe pas et un rep re au sol permettrait de v rifier que dans la phase d inclinaison de la mascotte il ny a aucun d placement par rapport la Terre Ce n est qu une fois l inclinaison stabilis e que la mascotte se d place vraiment et prend de la vitesse gr ce la force de traction que lui transmet la ficelle Le m me ph nom ne se reproduit au freinage et ces explications permettent de mieux comprendre ce que peuvent ressentir les passagers L effet ceinture de s curit
8. association adilca www adilca com LA FORCE D INERTIE La force d inertie est avec la force centrifuge et la force de Coriolis l une des trois forces fictives utilis es par les physiciens dans le cadre de descriptions imaginaires Qu est ce qu une force fictive Qu est ce qu une description imaginaire Qu appelle t on force d inertie D o provient elle et comment agit elle Pourquoi cette force n existe t elle pas vraiment Voici quelques l ments de r ponse Petit rappel Une force d signe toute cause capable de modifier la vitesse ou la trajectoire d une masse On distingue deux types de forces les forces r elles qui sont les v ritables causes du mouvement et les forces fictives galement appel es forces apparentes forces imaginaires ou pseudo forces qui interviennent uniquement dans le cadre de descriptions imaginaires D finition Inertie vient de inerte La force d inertie se d finit comme la force d livr e par un objet inerte Comment un objet inerte pourrait il d livrer la moindre force Cette d finition semble paradoxale En r alit tout s explique quand on sait que la force d inertie appartient la cat gorie des forces fictives ainsi que nous allons le voir Une description r elle Imaginons un camion immobile stationn sur un terrain plat avec un ballon pos au milieu de la benne Mettons le camion en mouvement et observons la sc ne du haut d une fen tre ou d un ba
9. ce de traction qui s est exerc e sur les roues motrices du camion au contact du sol Il ny a pas eu d autre force mise en jeu dans cette description La force d inertie est bien une force imaginaire Exp rience vue de dessus 1 Un ballon est pos au milieu de la benne d un camion immobile 2 Quand le camion d marre on a l impression que le ballon se d place vers l arri re de la benne Un rep re au sol trait rouge permet de v rifier qu en r alit le ballon n a pas boug Une description imaginaire Imaginons maintenant que le ballon bouge tout seul sans que personne ne le touche et sans pour autant que le camion d marre C est impossible n est ce pas Oui bien s r le ballon ne peut pas bouger tout seul c est impossible Au diable la r alit Fermons les yeux un instant et imaginons que l exp rience pr c dente se d roule sans le moindre rep re visuel par rapport au sol Dans une telle description purement imaginaire bien s r la force de traction d livr e par le camion n existe plus Il faut alors expliquer le mouvement du ballon sans s occuper du camion c est dire en faisant totalement abstraction de son d placement propre Oui Il faut faire comme si le camion n avait pas boug Bel effort d imagination Les physiciens adorent ce genre d exercice Les lois physiques de l automobile www adilca com association adilca www adilca com C est donc a la force d inertie
10. e traction F qui s est exerc e sur les pneumatiques des roues motrices au contact du sol F MY F 1 500 x 2 3 000 N Ce n est qu partir de ce r sultat qu on peut enfin calculer l intensit de la force d inertie F cette fameuse force qu il faudrait exercer sur le centre de gravit de la voiture si celle ci tait immobile pour produire un effet comparable celui observ dans la r alit quand la voiture est soumise la force de traction ou de freinage On utilise alors cette relation et uniquement celle ci F MY F Autrement dit le calcul est tr s vite fait une force r elle de 3 000 N dans une description dynamique correspond une force imaginaire de 3 000 N dans une description statique D o la confusion En effet les vecteurs force r elle et force imaginaire ont le m me module Mais attention tout les distingue leur point d application l un de ces deux vecteurs trouve son origine la p riph rie des pneumatiques l autre au centre de gravit leur direction ici le signe souvent oubli est d terminant il montre que la force d inertie si elle existait devrait avoir une orientation spatiale rigoureusement oppos e celle de la force de traction ou de freinage Les lois physiques de l automobile www adilca com association adilca www adilca com et le fait que l un de ces deux vecteurs s applique sur une voiture en mouvement l autre sur
11. finitivement balay e par Newton ASSOCIATION ADILCA www adilca com Les lois physiques de l automobile www adilca com
12. iger un manuel de physique le concept de force d inertie est tr s pratique puisqu il s agit dun concept g n rique global capable de s adapter nombre de ph nom nes Au contraire la description d un mouvement r el exige beaucoup plus de minutie au sens tymologique du terme et rel ve plut t de l ouvrage sp cialis les forces qui s exercent sur une voiture par exemple ne sont pas exactement les m mes que celles qui s exercent sur un bateau un avion ou un satellite il est donc long et d licat de les recenser et de les exposer en d tail et ceux qui les ont lus Comment les lyc ens et tudiants ont ils assimil ces nuances La p dagogie c est l art de contr ler ce qui se passe dans la t te des l ves Ici les connaissances sophistiqu es l honn tet et les bonnes intentions ne peuvent plus suffire H las le syst me a toujours fonctionn en circuit ferm travers les examens les professeurs n ont valid que les connaissances jug es fondamentales dans les limites de leurs comp tences et de leurs connaissances Mettons nous la place des l ves quand le discours des professeurs et celui des manuels scolaires se conjuguent pour seriner en boucle le dogme obligatoire il est bien difficile d chapper l endoctrinement Oui m me en science c est possible Le r sultat est l consternant dans les cerveaux la logique des descriptions imaginaires a irr sistiblement
13. lcon par exemple d s que le camion d marre le ballon donne l impression de rouler vers l arri re de la benne comme s il tait soumis une force apparente Cette force apparente c est la force d inertie Mais attention Le mouvement du ballon rel ve d une illusion d optique En effet un rep re au sol permet de v rifier qu en r alit le ballon ne s est pas d plac il a seulement t rattrap puis heurt par la ridelle arri re du camion Explication la seule force sollicit e dans cette exp rience est la force de traction cr e par le moteur du camion Cette force s exerce sur les pneumatiques des roues motrices au contact du sol Elle se transmet ensuite aux roues au ch ssis la carrosserie et la benne ainsi qu tout ce qu elle contient ballon compris Le point de contact entre la benne et le ballon tant une surface trop faible pour communiquer la force n cessaire l acc l ration du ballon celui ci reste donc immobile par rapport la Terre tandis que le camion d marre Les lois physiques de l automobile www adilca com association adilca www adilca com Et c est justement parce que le ballon reste immobile totalement insensible au mouvement du camion donc compl tement inerte qu il donne l illusion de bouger d o le nom donn cette force En r alit dans cette exp rience la seule et unique force sollicit e la seule et unique force qui existe vraiment est la for
14. nt rieur du tube l acc l ration qui lui est communiqu e est bien videmment identique en module et en sens celle subie par la voiture Cette acc l ration a t produite par la force de traction qui s est exerc e sur les pneumatiques des roues motrices au contact du sol L encore l attribution d un signe choisi d apr s le sens de d placement de la voiture permettra de pr ciser l orientation spatiale de cette acc l ration autrement dit de faire la distinction entre la force de traction ou de freinage bien r elles et une force d inertie compl tement imaginaire Les lois physiques de l automobile www adilca com association adilca www adilca com L inventeur de la force d inertie L affaire est entendue les forces d inertie n existent pas Mais alors d o vient la m prise En r alit les m canismes de la confusion sont anciens complexes et culturels Commen ons par le commencement L id e de ramener les descriptions r elles de simples probl mes de statique revient Jean Le Rond d Alembert math maticien et physicien fran ais 1717 1783 surtout connu pour tre l un des r dacteurs de l Encyclop die L inventeur des forces d inertie c est lui Se penchant sur l uvre de Newton et la jugeant incompl te d Alembert con ut d inverser le raisonnement en consid rant que tout corps acc l r pouvait tre d crit comme tant immobile son tat d inertie le renda
15. nt capable de g n rer une force etc Une d marche qui finalement aurait pu lui valoir le sobriquet de d l envers mais qu importe Descartes tait veng Prodigieuse acrobatie mentale h las sans grand int r t du moins pour le domaine qui nous occupe Logique purement imaginaire d clin e tort et travers adapt e toutes les sauces processus tellement conforme la tradition intellectuelle fran aise qui contrairement la culture anglo saxonne pr f re l abstraction plut t que la r alit le concept plut t que son application la th orie plut t que la pratique Le r le des professeurs Le concept est une chose l engouement p dagogique qu il peut susciter en est une autre Quel r le les professeurs ont ils jou dans la mystification M me s il est bien vident qu aucun professeur de physique digne de ce nom n a jamais pu confondre l origine d un ph nom ne et ses effets la cause d un mouvement et ses cons quences une description r elle et une description imaginaire toute d marche scientifique consistant justement chercher des explications parfois contre intuitives des observations qui ne sont logiques ou rationnelles qu en apparence le r sultat est l Le raisonnement de d Alembert relay quelques ann es plus tard par celui de Gaspard Coriolis l inventeur de la force qui porte son nom voir le dossier ADILCA force de Coriolis rencontra un vif succ
16. oiture ne sont donc jamais projet s en avant ils sont simplement frein s par la carrosserie et les ceintures de s curit ou par le tableau de bord et le pare brise s ils ont oubli de boucler leurs ceintures de s curit Les sensations qu ils prouvent viennent donc uniquement de la force de freinage que leur communique la voiture La force d inertie tant une force imaginaire il est bien videmment impossible d en observer ou d en ressentir les effets Les lois physiques de l automobile www adilca com association adilca www adilca com Le mouvement des bagages Et les bagages dans le coffre ou les objets pos s sur la tablette arri re L explication est identique celle qui concerne les passagers lors d un freinage ou d une collision le mouvement des bagages dans le coffre ou des objets pos s sur la tablette arri re n est qu apparent En r alit ces objets ne sont jamais projet s en avant ils conservent simplement leur vitesse initiale s ils n ont pas t solidement fix s la carrosserie et tant qu une partie quelconque de la carrosserie ne peut leur communiquer la moindre force de freinage Action et r action le troisi me principe de Newton Une autre erreur fr quente consiste pr senter la force d inertie comme tant la r action au sens newtonien du terme associ e la force de traction ou de freinage Mais que dit ce fameux troisi me principe de Newton C est le princi
17. pe de l action et de la r action Toute force s exer ant sur un corps entra ne une r action d gale intensit mais de sens oppos Ce principe est sans doute le plus mal compris de tous ceux jamais nonc s par Newton En effet la r action associ e une quelconque force ne peut exister et ne peut se manifester que dans le cadre d une description unique et partir d un r f rentiel commun L encore tout m lange est rigoureusement prohib Logiquement la force de traction ou de freinage s exer ant au contact du sol les r actions associ es ces deux forces ne peuvent se manifester qu au niveau du sol elles aussi et pas ailleurs Isaac Newton avait les pieds sur terre lui De fait cette fameuse r action existe bien En effet quand un v hicule terrestre acc l re ou freine les pneumatiques prennent appui sur le sol ils exercent alors une pouss e horizontale qui serait parfaitement capable de perturber la rotation de la Terre si ce n tait la masse de la Terre elle m me bien trop grande par rapport celle du v hicule pour que son mouvement en soit affect Cette pouss e c est la r action associ e la force de traction ou de freinage Autrement dit la notion de r action na absolument rien voir avec le concept de force imaginaire et la force d inertie n est pas ne peut pas tre n est jamais la r action associ e une quelconque force Les lois
18. supplant celle des descriptions r elles Une petite enqu te aupr s d tudiants ou jeunes dipl m s suffit pour s en convaincre Les lois physiques de l automobile www adilca com association adilca www adilca com Conclusion La force d inertie est avec la force centrifuge et la force de Coriolis voir les dossiers ADILCA force centrifuge et force de Coriolis l une des trois forces fictives appel es galement forces apparentes ou pseudo forces qui sont utilis es par les physiciens dans le cadre de descriptions purement imaginaires Mais aucune de ces trois forces n existe r ellement Il est donc strictement impossible d en observer d en ressentir ou d en mesurer les effets Qu on se le dise En r alit la surface de contact entre la benne et le ballon ne permettant pas un glissement total le ballon se met tourner sur lui m me acqu rant ainsi une nergie cin tique de rotation Si le camion stoppe brutalement cette nergie accumul e peut suffire entra ner le ballon vers la ridelle arri re Dans le cadre de cette exp rience c est ce qu on appelle un art fact Contrairement ce qu on pourrait penser cette manipulation est courante en physique on dit alors que le camion est devenu un r f rentiel non inertiel ou r f rentiel non galil en nous pr f rons l appellation de r f rentiel restreint qui en montre bien les limites a signifie concr tement q
19. t ces deux descriptions sont totalement contradictoires il n est donc pas question de les superposer voir le dossier ADILCA statique et dynamique Or c est malheureusement une bourde classique Force d inertie la v ritable d finition Ce qui pr c de nous am ne ces deux d finitions originales et in dites de la force d inertie Dans le r f rentiel voiture on appelle force d inertie la force imaginaire qu il faudrait exercer sur le centre de gravit des passagers et des bagages d une voiture immobile pour les voir s animer d un mouvement identique celui observ dans la r alit lorsque la voiture est soumise la force de traction ou de freinage Dans le r f rentiel Terre on appelle force d inertie la force imaginaire qu il faudrait exercer sur le centre de gravit d une voiture immobile pour cr er sur les suspensions et Les lois physiques de l automobile www adilca com association adilca www adilca com les pneumatiques un effet identique celui observ dans la r alit lorsque la voiture est soumise la force de traction ou de freinage Insistons sur les trois exigences fondamentales de ces d finitions 1 immobilit de la voiture 2 le caract re hypoth tique de cette fameuse force clairement affirm par l emploi du conditionnel la force qu il faudrait exercer 3 l impossibilit technique d exercer directement la moindre force sur le centre de gravit
20. u il est d sormais interdit de d crire son mouvement propre Bref il faut faire comme si le camion tait immobile Attention Ce principe ne s applique qu des forces r elles jamais des forces fictives En effet dans une description imaginaire les interactions n existent pas Isaac Newton n a pas pu le pr ciser les forces fictives tant inconnues son poque Si on compare un camion de 10 tonnes et la Terre 6 x 10 kg le rapport des masses est de 1 pour 600 milliards de milliards l avantage de la Terre au d triment du camion Son titre complet est Encyclop die ou Dictionnaire raisonn des sciences des arts et des m tiers ouvrage gigantesque visant faire le point des connaissances de l poque le premier du genre publi en France 1772 Dans ce domaine l galement les Anglais avaient tir les premiers un ouvrage similaire intitul Cyclopaedia r dig l initiative d Ephraim Chambers circulait d j en Angleterre depuis 1732 La rivalit franco anglaise de l poque ne s est pas limit e aux seuls domaines de l industrie et du commerce elle s est manifest e galement au travers des sciences et du raisonnement scientifique Ainsi pour expliquer le mouvement des plan tes du syst me solaire Ren Descartes math maticien et philosophe fran ais 1596 1650 avait suppos l existence d un fluide ther agissant comme un courant d air hypoth se d
21. une voiture immobile Bref Ces deux vecteurs n appartiennent pas du tout la m me description Gare aux m langes Ainsi l intensit de la force d inertie se d duit de celle de la force de traction ou de freinage jamais l inverse Et la grandeur cens e prouver l existence de la force d inertie r sulte en r alit d une confusion avec la force de traction ou de freinage Le capteur inertie Un simple capteur inertie appareil encore appel capteur d acc l ration permet il de mesurer directement l intensit de la force d inertie D taillons le principe de fonctionnement de cet appareil une masselotte capable de coulisser dans un tube est maintenue au repos par deux ressorts mais peut n anmoins se d placer le long d un curseur en cas d acc l ration ou de d c l ration de la voiture Ainsi ce que mesure le curseur c est tout simplement l intensit de la force de traction ou de freinage communiqu e la masselotte par la voiture Le capteur d inertie fonctionne comme un vulgaire dynamom tre tout simplement Reprenons l exemple d une voiture qui acc l re de 0 20 m s en 10 secondes Le curseur indique une force de 2 x 10 N Si la masse de la masselotte est de 107 kg la relation fondamentale de la dynamique permet de calculer l intensit de l acc l ration communiqu e la masselotte par la voiture Y F M Y 2x10 10 2 ms Quand la masselotte est en quilibre l i
Download Pdf Manuals
Related Search