Exercices: Troisième loi : actions réciproques

Quand on marche, le pied pousse le sol vers l'arrière et pourtant on avance vers l'avant. Identifier la force d'action et la force de réaction : expliquer qui exerce chacune et sur quel corps elle s'exerce.

Une nageuse avance parce que ses bras poussent l'eau vers l'arrière. Expliquer, avec le principe des actions réciproques, pourquoi pousser l'eau vers l'arrière la fait avancer vers l'avant.

Vous gonflez un ballon et vous le lâchez sans le nouer : il part en trombe en se dégonflant. Quelle force le propulse ? Identifier l'action et la réaction dans ce cas, en indiquant sur quel corps s'exerce chacune.

Compléter la phrase du principe des actions réciproques : « Si un corps A exerce une force sur un corps B, alors B exerce sur A une autre force de même $\dots$, de même $\dots$ et de sens $\dots$ ». Donner ensuite un exemple de la vie quotidienne.

Pour qu'une barque à rames avance, le rameur pousse l'eau vers l'arrière avec les pales des avirons. Expliquer quelle force l'eau exerce sur les avirons et pourquoi la barque avance vers l'avant.

Pour sauter vers le haut, on fléchit les jambes et on pousse le sol vers le bas. Expliquer avec le principe des actions réciproques pourquoi on est propulsé vers le haut. Qui vous pousse en réalité ?

Si vous frappez un mur avec le poing, vous vous faites mal, même si le mur n'a pas bougé. Expliquer, avec le principe des actions réciproques, d'où vient la force qui vous fait mal.

Une fusée monte parce qu'elle expulse des gaz à grande vitesse vers le bas, comme le montre la figure.

Identifier le couple action-réaction et expliquer pourquoi la fusée accélère vers le haut.

Un élève affirme : « Si à toute action correspond une réaction égale et de sens contraire, les deux forces s'annulent et rien ne pourrait jamais bouger ». Expliquer où se trouve son erreur, en raisonnant sur le corps sur lequel s'exerce chaque force. Penser au cas d'une personne qui marche.

Deux patineuses sur glace, immobiles et face à face, se poussent avec les mains, comme le montre la figure. Elles repartent toutes les deux en glissant dans des sens contraires.

1. a) Identifier l'action et la réaction.
2. b) Si l'une a une masse de $40\ \text{kg}$ et l'autre de $80\ \text{kg}$, laquelle se déplace le plus vite ? Justifier la réponse en combinant la troisième et la deuxième loi de Newton.

Lors du tir, un canon pousse l'obus vers l'avant et recule lui-même vers l'arrière, comme le montre la figure.

1. a) Expliquer le recul à l'aide de la troisième loi de Newton (principe des actions réciproques).
2. b) Si la force exercée sur l'obus et celle exercée sur le canon sont identiques, pourquoi le canon recule-t-il beaucoup plus lentement que l'obus ne part ? Penser à leurs masses.

Marcher sur de la glace polie est presque impossible : les pieds glissent vers l'arrière quand on essaie d'avancer. Relier le problème à la force de réaction du sol que nous utilisons pour marcher et expliquer pourquoi, avec des chaussures à semelle rugueuse sur un trottoir sec, on peut marcher normalement.

Un hélicoptère se maintient en l'air parce que ses pales poussent l'air vers le bas. Expliquer le couple action-réaction et pourquoi l'hélicoptère n'a pas besoin de « prendre appui » sur le sol pour monter.

Le calmar se propulse en expulsant un jet d'eau par un siphon. Expliquer comment il utilise la troisième loi de Newton pour échapper à ses prédateurs et citer un autre animal, ou un moyen de transport, qui se déplace selon le même principe.

Un enfant saute de la proue d'une petite barque vers le quai, comme le montre la figure. Quand il saute, la barque s'éloigne vers l'arrière et l'enfant manque de tomber à l'eau.

1. a) Expliquer pourquoi la barque se met en mouvement.
2. b) Prévoir ce qui se passerait s'il sautait d'un grand ferry plutôt que d'une petite barque. Justifier la réponse en pensant aux masses.

En frappant une balle avec sa raquette, le joueur de tennis ressent un choc sec dans le bras.

1. a) Identifier l'action et la réaction lors du choc entre la raquette et la balle.
2. b) Expliquer pourquoi la balle, beaucoup plus légère, est projetée alors que le bras est à peine freiné.

Dans une fable, un cheval refuse de tirer la charrette en argumentant : « Si je tire la charrette vers l'avant avec une force, la troisième loi dit que la charrette me tire vers l'arrière avec une force égale ; donc nous ne pourrons jamais avancer ». Expliquer calmement au cheval où il se trompe, en indiquant sur quel corps s'exerce chaque force et quelles autres forces (celles du sol sur ses sabots) rendent le mouvement possible.

Quand vous sautez, vous poussez la Terre vers le bas avec une force de $600\ \text{N}$ et la Terre vous pousse vers le haut avec $600\ \text{N}$, comme le montre la figure.

1. a) Calculer votre accélération initiale si votre masse est de $60\ \text{kg}$ (faire le calcul simplifié, sans retrancher le poids).
2. b) La masse de la Terre est d'environ $6\cdot10^{24}\ \text{kg}$ : calculer l'accélération que vous communiquez à la Terre.
3. c) Expliquer pourquoi personne ne remarque que la Terre bouge quand nous sautons.

Un enfant est à l'intérieur d'un wagon de train et pousse la paroi du fond de toutes ses forces : le wagon ne bouge pas. Il sort sur le quai, pousse la même paroi depuis l'extérieur et le wagon se met à rouler, petit à petit.

1. a) Expliquer à l'aide de la troisième loi pourquoi, depuis l'intérieur, il n'arrive pas à le déplacer : penser aux forces qui s'exercent entre l'enfant et le wagon (y compris au niveau de ses pieds).
2. b) Pourquoi le déplace-t-il depuis l'extérieur ? Quel corps reçoit maintenant la réaction ?
3. c) Relier cela à l'impossibilité de « se soulever soi-même en se tirant par les cheveux ».

Sur un radeau à la dérive, sans courant ni vent, un naufragé installe un ventilateur à piles qui souffle contre la voile du bateau pour essayer d'avancer, comme le montre la figure.

1. a) Le radeau avancera-t-il ? Analyser les forces entre le ventilateur, l'air et la voile à l'aide de la troisième loi.
2. b) Et s'il enlevait la voile et orientait le ventilateur vers l'arrière, en soufflant l'air hors du bateau ? Comparer les deux cas.

Une grenouille de $100\ \text{g}$ saute horizontalement depuis une feuille de nénuphar de $200\ \text{g}$ qui flotte immobile sur l'eau, comme le montre la figure.

1. a) Si la grenouille pousse la feuille avec une force de $2\ \text{N}$, avec quelle force la feuille pousse-t-elle la grenouille ? Justifier à l'aide de la troisième loi.
2. b) Convertir les masses en $\text{kg}$ et calculer l'accélération initiale de la grenouille et celle de la feuille.
3. c) Expliquer pourquoi la feuille recule moins que la grenouille ne saute.

Identifier, dans chaque scène, la force d'action, la force de réaction et le corps sur lequel chacune s'exerce :

1. a) Un joueur de basket fait rebondir le ballon contre le sol.
2. b) Une nageuse s'élance contre le mur de la piscine pour faire demi-tour.
3. c) Un ventilateur sur pied à roulettes, quand on l'allume, a tendance à reculer.

Alex ($50\ \text{kg}$) et Martine ($40\ \text{kg}$), tous deux sur des trottinettes et immobiles, se poussent mutuellement. Pendant la poussée, chacun exerce sur l'autre une force moyenne de $100\ \text{N}$ pendant $0,5\ \text{s}$.

1. a) Avec quelle force Martine pousse-t-elle Alex ? Et Alex, Martine ?
2. b) Calculer l'accélération de chacun pendant la durée de la poussée.
3. c) Calculer la vitesse de chacun au moment de la séparation et expliquer pourquoi le plus léger part plus vite.

À la fête de la science, vous voulez lancer une fusée à eau : une bouteille en plastique contenant de l'eau et de l'air sous pression qui expulse l'eau vers le bas.

1. a) Expliquer à l'aide de la troisième loi ce qui propulse la bouteille vers le haut.
2. b) Prévoir l'avantage d'expulser l'eau à plus grande vitesse et le justifier avec les lois de Newton.
3. c) Quand l'eau est épuisée, la fusée continue de monter un moment puis retombe : expliquer ces deux phases à l'aide du principe d'inertie et du poids de la fusée.