La balle lancée vers le haut

Exercice d'entraînement · niveau 3 (difficile) · physique (seconde), chapitre 3 — Modélisation des Actions Mécaniques et Principe d'Inertie · Bilan des forces et principe d'inertie

Énoncé

Un joueur lance une balle verticalement vers le haut. Elle monte, s'arrête un instant au sommet de sa trajectoire, puis redescend. On néglige les frottements de l'air.

1. Faire le bilan des forces exercées sur la balle pendant la montée. Comment nomme-t-on ce type de mouvement ?
2. Les forces se compensent-elles ? Le mouvement de la balle est-il rectiligne uniforme ? Justifier par le principe d'inertie ou sa contraposée.
3. Au sommet, la vitesse de la balle est nulle un court instant. Peut-on en conclure que les forces se compensent à cet instant ?
4. Et pendant la descente, le bilan des forces est-il le même ?

Corrigé

1. Les frottements étant négligés, la balle n'est soumise qu'à son seul poids $P$ , vertical et dirigé vers le bas : elle est en chute libre, ici à une dimension puisque son mouvement est vertical.
2. Une force unique ne peut être compensée par rien : $\sum F_{ext} = P \neq = 0$ . Par la contraposée du principe d'inertie, le mouvement n'est donc pas rectiligne uniforme. La trajectoire est pourtant bien une droite : c'est la valeur de la vitesse qui varie — elle diminue tout au long de la montée. Trajectoire droite et mouvement uniforme sont deux conditions distinctes, et il suffit qu'une seule tombe.
3. Non, et c'est le piège de l'exercice. Le poids ne s'interrompt pas au sommet : la balle y est toujours soumise à la même force, orientée vers le bas, et c'est bien pourquoi elle repart aussitôt vers le bas au lieu de rester en l'air. Le principe d'inertie ne parle pas d'une vitesse nulle à un instant, mais d'un état de repos ou de mouvement rectiligne uniforme qui dure.
4. Oui, exactement le même : la balle reste en chute libre, soumise au seul poids. Le mouvement est toujours rectiligne non uniforme, mais cette fois la valeur de la vitesse augmente. Le poids n'a pas changé de sens en cours de route ; c'est le sens du mouvement qui a changé.

<p class="legende-figure">Chute libre : le poids est le même partout, y compris au sommet où la vitesse s'annule.</p>

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Un blocage sur cet exercice ? Le tuteur d'Adloun guide par questions, sans donner la réponse.