
Football
Étude cinématique de la trajectoire et de la vitesse d’un ballon de football lors d’un tir au but
Lors d’un match de football, un tir au but semble rapide et direct, mais son mouvement obéit à des lois physiques précises. Depuis la fin du XIXe siècle, les scientifiques utilisent des images successives pour analyser les mouvements rapides, une technique appelée chronophotographie. Cette méthode permet d’observer comment la position d’un objet évolue au cours du temps. Dans le cas d’un ballon de football, il est possible d’étudier la forme de sa trajectoire et l’évolution de sa vitesse pendant le tir. Grâce aux outils numériques modernes, une simple vidéo peut être utilisée pour effectuer une analyse cinématique complète. Dans cette activité, les élèves utilisent une vidéo d’un pénalty pour déterminer si la trajectoire du ballon est rectiligne et si sa vitesse reste constante. Cette étude permet d’introduire concrètement les notions de trajectoire, de vitesse et de mouvement uniforme ou non uniforme.
Resumo :
L’élève analyse une vidéo d’un tir au but pour déterminer la trajectoire du ballon et mesurer sa vitesse. Il pointe les positions successives du ballon sur chaque image de la vidéo. Les données obtenues permettent de tracer la trajectoire et d’étudier l’évolution de la vitesse. L’élève vérifie ainsi si le mouvement du ballon est rectiligne et uniforme.
Nível :
Autor:
Autor:
5e–3e
FizziQ
20-30 minutes
Objetivo educacional:
- Identifier la trajectoire d’un objet en mouvement à partir d’une vidéo
- Mesurer la vitesse d’un objet à partir de positions successives
- Déterminer si un mouvement est uniforme ou non uniforme
- Exploiter une chronophotographie pour analyser un mouvement
- Comprendre l’influence des forces sur le mouvement d’un projectile
Conceitos científicos:
- Trajectoire
- Mouvement rectiligne
- Mouvement uniforme
- Mouvement non uniforme
- Vitesse instantanée
- Chronophotographie
- Résistance de l’air
- Effet Magnus
Sensores:
- Caméra (vidéo utilisée dans le module d’analyse cinématique)
Material:
Smartphone ou tablette avec l'application FizziQ; Chronophotographie 'Football' disponible dans la bibliothèque de FizziQ; Cahier d'expérience FizziQ
Protocolo experimental:
1. Etude de la trajectoire et la vitesse d’un ballon de football
2. Dans le menu Outils, sélectionne Etude Cinématique, puis Vidéo, puis appuie sur FizziQ Ressources
3. Dans le navigateur, trouve la vidéo sur le pénalty et copie le lien
4. Reviens au menu Cinématique et appuie sur Internet, puis sur l’icône Copier
5. La vidéo du tir au but apparait sur l’écran
6. Pour faire l’analyse cinématique, détermine l’échelle en plaçant l’origine et l’extrémité de la règle sur le repère, puis entre la longueur de la règle
7. Appuie sur Pointage et, avec les flèches en bas de l'écran, positionne la séquence sur le départ du ballon
8. Pointe les positions du ballon en déplaçant la cible sur le ballon puis en tapant sur l’écran pour valider la position
9. Entre toutes les positions et appuie sur résultat
10. Sélectionne les données qui t’intéressent et appuie sur Cahier
11. Les données sont ajoutées à ton cahier où tu peux les analyser
12. En étudiant les positions, que penses-tu de la trajectoire du ballon ? Est-elle rectiligne ?
13. Quelle forme aurait cette courbe si le footballeur avait donnée un effet ?
14. En étudiant la vitesse du ballon, penses-tu que le mouvement soit uniforme ?
15. Documente ton analyse en ajoutant du texte et des photos et partage le !
Resultados esperados
Les positions successives du ballon forment une trajectoire globalement rectiligne lors d’un tir direct.
La distance parcourue entre deux positions successives diminue légèrement au cours du temps.
La vitesse du ballon diminue progressivement pendant le mouvement.
Le graphique de vitesse montre que le mouvement n’est pas parfaitement uniforme.
Des variations peuvent apparaître à cause d’erreurs de pointage ou d’un manque de précision dans l’échelle choisie.
Questões científicas:
- Pourquoi la vitesse du ballon diminue-t-elle au cours du mouvement ?
- Que se passerait-il si la résistance de l’air était nulle ?
- Comment la rotation du ballon influence-t-elle sa trajectoire ?
- Pourquoi la trajectoire peut-elle devenir courbe lors d’un tir avec effet ?
- Comment améliorer la précision du pointage des positions ?
Analyse scientifique
La chronophotographie, technique inventée par Étienne-Jules Marey au 19e siècle, permet de décomposer un mouvement en une série d'images prises à intervalles réguliers. C'est l'ancêtre direct du cinéma et un puissant outil d'analyse cinématique. Dans cette activité, l'analyse d'un tir de football révèle que le mouvement n'est pas uniforme: la vitesse du ballon diminue progressivement. Cette décélération est principalement due à la résistance de l'air. Pour un ballon sphérique, la force de traînée aérodynamique peut être modélisée par: F = ½·ρ·C_D·A·v², où ρ est la densité de l'air, C_D le coefficient de traînée (environ 0,2-0,3 pour un ballon lisse), A la section transversale du ballon, et v sa vitesse. Cette force étant proportionnelle au carré de la vitesse, son effet est particulièrement marqué sur les tirs puissants, où la vitesse initiale peut dépasser 30 m/s (108 km/h). De plus, la rotation du ballon (effet) crée une force de Magnus perpendiculaire à la direction du mouvement et à l'axe de rotation, ce qui explique les trajectoires courbes. Le module d'analyse cinématique de FizziQ permet de quantifier précisément ces effets en calculant la vitesse instantanée entre chaque position. Pour un mouvement parfaitement uniforme, cette vitesse serait constante. L'écart à cette constance révèle l'accélération (négative dans ce cas), qui permet d'estimer indirectement la force de résistance de l'air et d'autres facteurs comme l'effet Magnus ou la gravité selon les composantes du mouvement analysées.
Possíveis variações
- Étudier une vidéo montrant un tir avec effet pour observer une trajectoire courbe.
- Comparer les trajectoires de plusieurs tirs réalisés à différentes vitesses.
- Analyser une trajectoire verticale comme celle d’un ballon lancé vers le haut.
- Étudier le mouvement d’un autre objet sportif comme une balle de tennis.
- Comparer les résultats obtenus avec différentes vidéos issues d’autres sports.
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- Balistique et frottements : Comparer la trajectoire d'un projectile avec et sans résistance de l'air pour comprendre l'effet des frottements sur la portée et la forme de la trajectoire.
FAQ
Q: Pourquoi faut-il définir une échelle dans la vidéo ?
R: L’échelle permet de convertir les distances mesurées sur l’image en distances réelles.
Q: Pourquoi la vitesse n’est-elle pas constante ?
R: La résistance de l’air ralentit progressivement le ballon pendant son déplacement.
Q: Que signifie un mouvement uniforme ?
R: Un mouvement uniforme correspond à une vitesse constante au cours du temps.
Q: Pourquoi la trajectoire peut-elle être courbe ?
R: Une rotation du ballon crée une force appelée effet Magnus qui dévie sa trajectoire.
Q: Les résultats peuvent-ils être inexacts ?
R: Oui, des erreurs peuvent apparaître si le pointage est imprécis ou si l’échelle est mal définie.