Petite balade en vélo

Le début des vacances scolaires est traditionnellement marqué par le départ du Tour de France : cette année, c’est la 102e édition qui a démarré samedi 4 juillet pour 3360 kms.  Je parie que tu aimes les balades en vélo :  tu as donc sûrement déjà une bonne expérience de la chose.

Alors on s’est dit, que c’était le bon moment pour nous, d’évoquer les lois du mouvement (énoncées par Newton) et quoi de mieux pour les illustrer que de prendre exemple sur la bicyclette ?  C’est parti !

Newton a énoncé trois lois.

Isaac Newton (1642-1727) est un grand scientifique, physicien de la fin du 17e siècle qui s’est fait remarquer dans de nombreux domaines : mathématiques, optique et bien sûr la mécanique.

Tu connais sans doute la légende selon laquelle Newton aurait compris comment les forces font bouger les objets, en observant une pomme tomber de l’arbre.

Newton

Il a donc énoncé trois lois simples qui expliquent l’influence des forces sur le mouvement des objets. Elles constituent le fondement de la mécanique « classique » et s’appliquent à tout, et notamment à ton vélo en toutes circonstances.

Ces lois s’appellent les lois du mouvement ou les lois de Newton.

Avant de les énoncer, nous allons définir ce qu’est une force. Une force est une poussée ou une traction (le fait de tirer). Lorsqu’une force s’applique sur un objet, celui-ci va bouger ou se déformer et ce d’autant plus fort que la force est « intense ». Lorsque plusieurs forces sont en jeu, elles se combinent, s’ajoutent ou s’équilibrent.

Lorsque tu joues au jeu du tir à la corde, celui qui tire le plus fort, l’emporte et provoque le mouvement de la corde et de l’adversaire. Lorsque les forces sont de même intensité de chaque côté, il n’y a pas de mouvement.

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Première loi de Newton :
Un objet conserve une même vitesse (en direction et en intensité) si aucune force ne s’applique  sur lui (ou si des forces s’appliquent mais se compensent).
Si la vitesse est nulle, c’est-à-dire si l’objet est repos, il y reste tant qu’aucune force n’entre en action. C’est la loi d’inertie.
Exemple : Quand une voiture accélère, les passagers sont projetés vers l’arrière : en réalité, ils cherchent à garder la même vitesse par rapport à l’extérieur de la voiture et ils résistent au changement de vitesse.
Au contraire, lorsque la voiture freine, tu as tendance à être emmené vers l’avant, parce que ton corps répond à cette première loi de Newton et cherche à garder la même vitesse.

Deuxième loi de Newton :
Que se passe-t-il alors lorsqu’une force est appliquée à un objet immobile ? Il va alors se mettre à bouger, sa vitesse va alors augmenter : il subit une accélération.
C’est la deuxième loi de Newton : sous l’effet d’une force, la vitesse d’un objet est modifiée en intensité ou en direction. L’accélération sera d’autant plus grande que l’objet sera léger : plus facile de changer de direction pour un vélo que pour un gros camion.

La troisième loi de Newton :
Newton s’est rendu compte que les forces allaient toujours par paire. Si tu pousses le sol avec tes pieds : il te repousse et tu sautes en l’air. On dit qu’à chaque action, il y a une réaction.
Si une fusée est propulsée vers le haut, c’est parce que les gaz de combustion issus des moteurs sont expulsés vers le bas.
Des forces sont opposées et de même intensité. Par contre, elles ne produisent pas forcément le même effet. Lorsque tu sautes : tes pieds poussent le sol et en réaction, le sol te pousse et te voilà projeté vers le haut. La Terre, bien plus massive, n’a pas subi l’effet de tes pieds (ou de façon imperceptible)

Tout cela peut te paraître un peu abstrait : c’est pourquoi nous allons comprendre ces trois lois avec l’exemple du vélo.

Applications au cas du vélo

Sur la ligne du départ, ton vélo est immobile. Selon la 1e loi de Newton, il le restera tant qu’aucune force ne s’exerce sur lui.

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« Je n’avance pas ! Il faut pourtant que je démarre… »

C’est là que ton coup de pédale est important : plus tu appuies fort, et plus ton vélo est léger, plus facilement tu vas accélérer : c’est la 2e loi de Newton.

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« J’ai dû pousser très fort, car j’ai un vélo tout terrain, avec de gros pneus : pas facile d’accélérer ! »

Te voilà parti ! A partir d’un certain moment, tu peux même t’arrêter de pédaler et tu continueras d’avancer à la même vitesse : c’est la 1e loi de Newton. Toi et ton vélo, êtes en mouvement uniforme (même vitesse) et rectiligne (en ligne droite) : aucune force ne vient perturber le mouvement.

Aucune force ou presque… parce que tu finis tout de même par ralentir. Pourquoi ? D’après la 2e loi de Newton, c’est qu’une force a agi quelque part, une force qui va tout de même perturber ton mouvement. Il s’agit des frottements du sol sur tes pneus, et de l’air sur le vélo et le cycliste.
Ainsi, pour que les frottements soient réduits au maximum, il te faut des pneus très fins, une position très basse, des vêtements très près du corps et un casque aérodynamique.

Attention, la route est en pente ! Tu sens bien que tu vas accélérer. Et pour cause, une autre force est entrée en jeu : la gravité.
Jusqu’ici (en terrain plat), la gravité était compensée par la force de réaction du sol.

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« C’est génial ! J’accélère sans faire le moindre effort. C’est la force de gravité qui agit à ma place ! « 

Ouh la la ! Ce n’est plus la même histoire, voilà une forte montée ! Là encore la gravité est à l’oeuvre : mais elle attire le vélo vers le bas et tu ralentis. C’est la 2e loi de Newton. Tu vas devoir redoubler d’efforts afin de continuer à avancer.

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« Je vois bien que je ralentis. C’est encore la force de gravité qui modifie mon mouvement »

Attention, un obstacle à l’horizon ! Tu dois vite freiner. Oh mais que s’est-il passé ?

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Les roues de ton vélo se sont arrêtées trop brusquement. D’après la 1e loi de Newton, ton corps a continué son mouvement. C’est la chute.

Et la 3e loi de Newton, comment s’illustre-t-elle ?
Et bien tout simplement par le fait que si ton vélo avance, c’est que par le biais du mouvement de la pédale, le pneu a poussé sur le sol : c’est l’action. En réaction, le sol a poussé ton vélo.

Alors, à chaque balade en vélo, n’oublie pas que Newton est avec toi !

Auteur : Pascale Baugé – Le Monde et Nous
Illustrations : Stefcomics

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