force constante et mouvement uniformr

La plupart des élèves pensent que si la force appliquée sur un solide est constante, alors le mouvement sera uniforme. C'est une conception erronée très répandue, héritée de la physique d'Aristote : l'idée que la force fait la vitesse, donc qu'une force constante donne une vitesse constante. En réalité, une force constante agit sur la variation de la vitesse.

Ce que dit la physique :

D'après la deuxième loi de Newton :

ΣF⃗ = m · a⃗

Si la résultante des forces est constante (et non nulle), l'accélération est constante. Le mouvement est alors uniformément varié, et non uniforme : la vitesse change de la même quantité à chaque seconde.

Le mouvement rectiligne uniforme correspond au cas où la somme des forces est nulle (principe d'inertie). Ce qu'il faut retenir :

Somme des forces	Accélération	Nature du mouvement
ΣF⃗ = 0⃗	nulle	repos ou mouvement rectiligne uniforme
ΣF⃗ constante ≠ 0⃗	constante	uniformément varié
ΣF⃗ variable	variable	varié (non uniforme)

Pourquoi les élèves y croient :

Leur expérience quotidienne semble leur donner raison. Pour pousser un carton à vitesse constante, il faut exercer une force constante. Mais ils ne voient pas les frottements : la force qu'ils exercent compense exactement les frottements, donc la résultante est nulle. La confusion vient du fait qu'ils pensent à une force, celle qu'ils appliquent, et non à la somme de toutes les forces.

Pistes pour lever la confusion en classe :

1. La chute libre : le poids est constant, pourtant la bille va de plus en plus vite. Une chronophotographie, ou une vidéo analysée avec Avimeca ou Tracker, montre que les écarts entre les positions augmentent ;
2. Le mobile autoporteur sur table inclinée : la force est constante et les frottements sont négligeables. Les enregistrements montrent des distances qui augmentent régulièrement ;
3. Le palet sur table horizontale : on lance le palet puis on ne le touche plus. Il avance à vitesse constante sans force motrice. Cela casse l'idée qu'il faut une force pour maintenir un mouvement ;
4. Raisonner sur le bilan des forces : demander systématiquement « Quelle est la somme des forces ? » plutôt que « Quelle force pousse l'objet ? » ;
5. Le conflit cognitif : faire d'abord prédire aux élèves le mouvement d'une bille lâchée sur un plan incliné (« vitesse constante ou croissante ? »), puis faire l'expérience. La surprise ancre mieux la correction.

À retenir : une force constante ne donne pas une vitesse constante, mais une accélération constante. Seule une somme des forces nulle donne un mouvement rectiligne uniforme.