Diagramme de corps libre

Qu'est-ce qu'un diagramme corporel libre?

UN Diagramme de corps libre, Diagramme corporel isolé ou diagramme des forces, c'est un schéma où les forces agissant sur un corps sont représentées par des flèches.

Vous devez vous assurer d'inclure dans le diagramme toutes les forces qui agissent sur l'objet, et comme il s'agit d'une ampleur vectorielle, la flèche est responsable de l'indication de sa direction et de sa signification, tandis que la longueur de celui-ci donne une idée de le module ou l'intensité.

Figure 1. a) Un feu de circulation qui s'accroche au support par câbles, b) Diagramme de carrosserie libre du feu et c) Diagramme de corps libre dans le nœud du câble. Source: Serow, R. Physique du collège.

Dans la figure 1, nous avons un exemple de diagramme corporel libre que nous allons analyser.

La situation est la suivante: un feu de circulation qui pend au reste de certains câbles (figure 1A). Sur lui, deux forces agissent, l'une est celle que la Terre exerce, qui est le poids. Dans le diagramme, il est désigné comme F_g et agit verticalement.

L'autre force est la tension dans la corde verticale, appelée T₃ Et cela devient vertical vers le haut, tenant le feu de circulation et l'empêchant d'aller au sol.

Lorsqu'un problème a plus d'un objet, il est nécessaire de dessiner un diagramme pour chacun séparément.

Le nœud entre les chaînes inclinées et la corde qui maintient le feu de circulation est considérée comme un objet spécifique et son schéma corporel libre est dans la figure 1C. Notez que pour le nœud, la tension T₃ est dirigé vers le bas.

Il est important de noter que dans le diagramme du corps libre, les forces que l'objet exerce sur d'autres corps ne devraient pas apparaître, mais seulement ceux qui agissent dessus.

Exemples de diagramme corporel libre

Le diagramme corporel libre permet l'application des lois de Newton et avec eux déterminer l'état de mouvement ou le reste de l'objet sur lequel les forces agissent. Dans le cas du feu de circulation indiqué, nous pouvons déterminer la valeur des tensions dans les câbles soumises au feu de circulation, connu le poids de cela.

Peut vous servir: charges mortes: caractéristiques, calcul, exemples

Une fois ces données connues, les câbles adéquats sont sélectionnés pour accrocher le feu et qui remplissent sa fonction sans s'effondrer.

Les diagrammes corporels libres servent à décrire diverses situations quotidiennes, telles que celles-ci:

Une personne qui regarde un coffre ou un récipient

Il est très courant pour les gens de transférer des objets lourds tels que le conteneur sur la figure. Pour cela, ils doivent exercer une force F Sur le conteneur, qui dans cet exemple est horizontal et à droite, qui est la direction du mouvement.

Figure 2. Une personne exerce une force de magnitude F pour déplacer horizontalement un récipient lourd. Source: Serow, R. Physique du collège.

Mais ce n'est pas la seule force qui agit sur lui, il y a aussi la normale n, exercé par la surface plane de la plate-forme avec des roues. Et enfin en est le poids: F_g, réalisé verticalement vers le bas.

La normale est une force qui surgit tant que deux surfaces sont en contact et sont toujours perpendiculaires à la surface qui l'exerce. Dans ce cas, la plate-forme de roue en exerce une.

Un bloc qui glisse dans un plan incliné

Certains bureaux ont une table légèrement inclinée pour rendre les notes plus confortables et lire. Il a également une fente A-Lapiz, mais nous avons tous mis le crayon sur la table hors de la fente et nous avons vu comment il glisse sur la table.

Quelles forces agissent sur le crayon?

La même chose qui agit sur le bloc indiqué dans le diagramme du corps libre suivant:

figure 3.- Un objet (bloc ou crayon) qui glisse sur un plan incliné avec frottement, a le diagramme du corps libre illustré. Source: Giancoli, D. Physique: principes avec applications.

Le normal F_N C'est la force que la surface de la table exerce sur le crayon ou le bloc supporté. Contrairement à l'exemple précédent, la normale n'est pas verticale, mais inclinée. N'oubliez pas que la normale est la force exercée par la table sur le bloc et y est perpendiculaire. Comme le tableau est incliné, la normale aussi.

Il peut vous servir: Première condition d'équilibre: explication, exemples, exercices

Comme toujours le poids F_g Il est vertical, indifférent à partir de l'inclinaison du système.

Et enfin, nous avons une nouvelle force agissant, qui est une friction cinétique F_frousser Entre la table et le crayon ou le bloc. La friction est également une force de contact, mais contrairement à la normale, c'est une force tangentielle (parallèle) à la surface. Notez également qu'il est toujours dirigé contraire au mouvement.

La machine Atwood

La machine Atwood est une machine simple qui se compose d'une poulie légère et sans frottement dans le rail, à travers lequel passe une corde légère et non élaborable.

Deux objets de masse sont suspendus à la même chose₁ et M₂. Lorsque l'un des objets augmente, l'autre descend, comme le montre la figure 4:

Figure 4. La machine Atwood et les diagrammes de corps libres respectifs des masses qui pendent à la corde. Source: Serow, R. Physique du collège.

Comme il y a deux objets, un diagramme corporel libre est fabriqué séparément. Pour les deux objets, il n'y a que deux forces: la tension dans la corde T et les poids respectifs.

Dans la figure, chaque poids est directement exprimé comme le produit de la masse par accélération. Pour sa part, la tension est toujours dirigée verticalement le long de la corde tendue.

Exercice résolu

Appliquer les lois de Newton pour déterminer l'accélération avec laquelle les masses de la machine Atwood indiqués dans la section précédente se déplacent.

Solution

La deuxième loi de Newton établit que la somme des forces est égale au produit de la masse par accélération.

La convention des signes dans chaque masse peut être différente, nous prendrons donc comme un sens positif de celle du mouvement, comme indiqué par le graphique, la première masse augmente et la seconde descend.

Il peut vous servir: vagues superficielles: caractéristiques, types et exemples

Dans certains problèmes, la déclaration ne fournit pas d'informations, alors les panneaux doivent.

-Pour la masse 1 (téléchargement):

T - m₁g = m₁pour

-Pour la masse 2 (bas):

-T + m₂g = m₂pour

Les deux équations forment un système d'équations linéaires de deux inconnues, car la tension apparaît avec un signe différent dans chaque équation, nous les ajoutons simplement à terme et la tension est annulée:

m₂G - m₁g = m₁A + M₂pour

a = m₂G - m₁G / (m₁ + m₂)

Les références

1. Bauer, w. 2011. Physique pour l'ingénierie et les sciences. Volume 1. Mc Graw Hill.
2. Giancoli, D.  2006. Physique: principes avec applications. 6e. Ed Prentice Hall.
3. SERAY, R., Vulle, c. 2011. Physique du collège. 9na ed. Cengage Learning.
4. Tipler, P. (2006) Physique de science et de technologie. 5e ed. Volume 1. Éditorial Revered.
5. Tippens, P. 2011. Physique: concepts et applications. 7e édition. McGraw Hill