Exercices: Première loi : le principe d'inertie

Vous êtes debout dans le bus, sans vous tenir à rien, et soudain le conducteur freine brusquement. Vers où votre corps se penche-t-il, vers l'avant ou vers l'arrière ? Expliquer en utilisant le principe d'inertie.

Pourquoi est-il obligatoire de porter la ceinture de sécurité, même sur les sièges arrière de la voiture ? Expliquer ce qui arriverait à votre corps lors d'un freinage brusque sans ceinture, en le reliant à l'inertie.

Vous posez une pièce de monnaie sur un carton qui recouvre l'ouverture d'un verre et vous tirez brusquement le carton à l'horizontale, comme le montre la figure.

La pièce tombe dans le verre au lieu d'être emportée avec le carton. Expliquer cette astuce avec le principe d'inertie.

Compléter la phrase avec les mots manquants : « Si la force totale qui s'exerce sur un corps est nulle, un corps au repos $\dots$ au repos et un corps en mouvement continue de se déplacer d'un mouvement $\dots$ et $\dots$ à vitesse $\dots$ ». Donner ensuite un exemple pour chaque cas.

Quand une voiture démarre brusquement, les passagers sentent leur tête partir en arrière contre l'appui-tête. Cela signifie-t-il qu'une force les pousse vers l'arrière ? Expliquer avec l'idée d'inertie.

Lors d'un match de hockey sur glace, un joueur frappe le palet, qui glisse presque sans ralentir jusqu'à l'autre bout de la patinoire. Que dit le principe d'inertie sur le mouvement du palet tant que personne ne le touche ? Pourquoi finit-il par s'arrêter sur une vraie patinoire ?

Léa est assise dans le canapé de sa maison. Est-elle au repos ou en mouvement ? Répondre en choisissant deux référentiels différents :

1. a) Par rapport aux murs de sa maison.
2. b) Par rapport au Soleil.

Que conclure sur le fait d'affirmer, sans plus de précision, qu'« elle est immobile » ?

Pour enlever la poussière d'un tapis, on l'accroche et on le frappe avec un tape-tapis : le tapis bouge brusquement et la poussière est projetée. Expliquer le phénomène en utilisant l'inertie de la poussière.

Dans les spectacles, on voit l'astuce qui consiste à tirer brusquement une nappe sans faire tomber les assiettes posées dessus, comme le montre la figure.

1. a) Expliquer pourquoi cela fonctionne en utilisant le principe d'inertie.
2. b) Que se passerait-il, selon vous, si l'on tirait la nappe très lentement ? Justifier la réponse.

Marc est dans un train qui roule à vitesse constante sur une voie rectiligne et lance une balle verticalement vers le haut, comme le montre la figure.

1. a) La balle retombe-t-elle dans sa main, devant ou derrière ? Justifier.
2. b) La réponse changerait-elle si le train était en train de freiner à cet instant ? Expliquer.

Dans un avion en plein vol, pour vous, votre valise est immobile dans le compartiment supérieur ; pourtant, pour quelqu'un qui pourrait vous observer depuis le sol, la valise se déplace à environ $900\ \text{km/h}$.

1. a) Qui a raison ?
2. b) Expliquer ce qu'est un référentiel et pourquoi le repos et le mouvement se décrivent toujours par rapport à un référentiel.

La tête d'un marteau s'est desserrée du manche. Votre grand-père la répare en frappant l'extrémité inférieure du manche contre le sol plusieurs fois, par coups secs.

1. a) Expliquer, en utilisant l'inertie, pourquoi la tête se fixe ainsi.
2. b) En quoi cette astuce ressemble-t-elle à celle qui consiste à secouer le tapis pour en enlever la poussière ? Nommer le concept commun aux deux.

Dans un bus qui prend un rond-point vers la gauche, comme le montre la figure (vue de dessus), les passagers debout se penchent vers la droite.

1. a) Une force les pousse-t-elle vers la droite ?
2. b) Expliquer avec le principe d'inertie, en pensant à la direction que tend à suivre chaque corps.

Une boule roule sur le sol de la cour et finit par s'arrêter sans que personne la touche. Un ami dit : « Cela prouve que le principe d'inertie n'est pas valable dans la vie réelle. » A-t-il raison ? Expliquer quelle force intervient et ce qui se passerait sur une surface parfaitement lisse, sans frottements.

Un vaisseau spatial voyage dans l'espace profond, loin des planètes et des étoiles, moteurs éteints.

1. a) Que fait le vaisseau : s'arrête-t-il, ralentit-il peu à peu ou garde-t-il une vitesse constante ? Justifier avec le principe d'inertie.
2. b) Faut-il consommer du carburant pour maintenir la vitesse ? Et pour la modifier ? Expliquer la différence.

Quand on fait tourner rapidement un parapluie mouillé, les gouttes d'eau sont projetées en ligne droite.

1. a) Expliquer avec l'inertie pourquoi les gouttes ne continuent pas de tourner avec le parapluie lorsqu'elles se détachent.
2. b) Qu'est-ce qui les retenait collées au tissu pendant la rotation ?

Une bouteille d'eau pleine est suspendue à un fil et porte un autre fil identique attaché en dessous, comme le montre la figure. Si l'on tire doucement sur le fil du bas, le fil du haut casse ; mais si l'on tire brusquement, c'est le fil du bas qui casse.

1. a) Expliquer pourquoi, en tirant doucement, le fil supérieur casse (penser aux forces que supporte chaque fil).
2. b) Expliquer, avec l'inertie de la bouteille, pourquoi, en tirant brusquement, le fil inférieur casse.
3. c) Prévoir ce qui se passerait avec une bouteille presque vide et expliquer le rôle de sa masse.

Chloé transporte dans la voiture un ballon gonflé à l'hélium attaché à un fil court. Étonnamment, au freinage, le ballon se penche vers l'arrière, juste à l'opposé des passagers.

1. a) Décrire ce qui arrive aux passagers au freinage et l'expliquer avec l'inertie.
2. b) L'air à l'intérieur de la voiture a aussi de l'inertie : expliquer ce qui arrive à cet air au freinage et comment cela explique que le ballon, plus léger que l'air, aille vers l'arrière.

Un livre est posé sur le tableau de bord lisse d'une voiture (presque sans frottements). Décrire et expliquer avec le principe d'inertie ce qui arrive au livre dans chaque situation :

1. a) La voiture démarre brusquement.
2. b) La voiture roule à vitesse constante en ligne droite.
3. c) La voiture freine fort.
4. d) Dans une vraie voiture, le tableau de bord n'est pas aussi lisse : quel rôle jouent les frottements entre le livre et le tableau de bord ?

Un skateur descend la rue et sa planche heurte une petite pierre : la planche se bloque et lui est projeté vers l'avant.

1. a) Expliquer avec le principe d'inertie pourquoi il est projeté.
2. b) Relier cet accident au rôle de la ceinture de sécurité dans une voiture.
3. c) Si, au lieu d'une pierre, la planche ralentissait peu à peu en entrant dans l'herbe, serait-il projeté aussi violemment ? Justifier.

Imaginez que vous voyagez dans un wagon de train sans fenêtres, si bien isolé que vous n'entendez ni ne percevez rien de l'extérieur, et que le train roule à vitesse constante sur une voie parfaitement rectiligne et lisse.

1. a) Pourriez-vous savoir, sans regarder dehors, si le train est à l'arrêt ou en mouvement ? Justifier avec le principe d'inertie.
2. b) Et si le train accélérait ou freinait ? Décrire une expérience simple que vous pourriez faire dans le wagon pour le remarquer.

Bruno porte un gobelet en plastique rempli d'eau jusqu'au bord, posé sur l'accoudoir de la voiture.

1. a) Expliquer avec l'inertie pourquoi l'eau se renverse vers l'arrière quand la voiture démarre fort.
2. b) Prévoir ce qui se passera dans un virage rapide vers la droite et le justifier.
3. c) L'eau se renverserait-elle en roulant à $120\ \text{km/h}$ en ligne droite, si la voiture roule en douceur et sans changement de vitesse ? Expliquer la différence.

Un camion-citerne transporte du lait, la cuve à moitié pleine. Le conducteur remarque que, au freinage, la charge « pousse » le camion vers l'avant.

1. a) Expliquer avec le principe d'inertie ce que fait le lait dans la cuve au freinage.
2. b) Pourquoi est-il plus dangereux de rouler avec la cuve à moitié pleine qu'entièrement pleine, sans espace pour que la charge bouge ?
3. c) Quelles précautions le conducteur devrait-il prendre ? Les relier à l'inertie.

Un cycliste qui roule à vitesse constante en ligne droite lâche une clé à molette, la laissant tomber de sa main sans la pousser. Négliger les frottements de l'air.

1. a) Vue par le cycliste lui-même, la clé tombe-t-elle juste en dessous du point où il l'a lâchée, devant ou derrière ? Justifier.
2. b) Décrire la trajectoire que voit une personne immobile sur le trottoir.
3. c) Expliquer la différence entre les deux descriptions en utilisant les référentiels et l'inertie.