Généralités sur les forces
Les forces et les interactions
Généralités sur les forces
Introduction
Quand on pousse un chariot, quand la Terre attire une pomme, quand un ressort se détend… on parle d'actions mécaniques. Ces actions sont modélisées en physique par des forces. Comprendre ce qu'est une force et comment on la représente est essentiel pour analyser le mouvement des objets.
Action mécanique et force
Définition
Une action mécanique est toute cause capable de :
- mettre en mouvement un objet au repos ;
- modifier le mouvement d'un objet (changer sa vitesse ou sa direction) ;
- déformer un objet.
On modélise chaque action mécanique par une force, notée $\vec{F}$.
Notation
La force exercée par l'objet $A$ sur l'objet $B$ se note :
$$\vec{F}_{A/B}$$
On lit « force exercée par $A$ sur $B$ ».
Caractéristiques d'une force
Une force est un vecteur. Elle est entièrement définie par quatre caractéristiques :
| Caractéristique | Description |
|---|---|
| Point d'application | Point où s'exerce la force |
| Direction | Droite d'action (horizontale, verticale, oblique…) |
| Sens | Vers le haut, vers la droite, etc. |
| Norme (intensité) | Valeur exprimée en newtons (N) |
Représentation graphique
On représente une force par une flèche :
- L'origine de la flèche est le point d'application.
- La direction de la flèche est celle de la force.
- Le sens de la flèche indique le sens de la force.
- La longueur de la flèche est proportionnelle à l'intensité (on choisit une échelle, par ex. 1 cm ↔ 2 N).
Forces de contact et forces à distance
Forces de contact
Elles nécessitent un contact physique entre les deux objets. Exemples :
- Réaction d'un support : force exercée par une table sur un livre posé dessus.
- Force de frottement : résistance au glissement entre deux surfaces.
- Tension d'un fil : force exercée par un fil tendu sur l'objet accroché.
- Poussée : action de la main sur un ballon.
Forces à distance
Elles s'exercent sans contact entre les objets. Exemples :
- Force gravitationnelle : attraction entre deux masses.
- Force électrostatique : attraction ou répulsion entre charges électriques.
- Force magnétique : action d'un aimant sur un clou en fer.
Inventaire des forces — le diagramme objet-interactions (DOI)
Avant de résoudre un problème de mécanique, on réalise un inventaire des forces (ou analyse des actions mécaniques) en suivant ces étapes :
- Définir le système étudié.
- Identifier tous les objets qui agissent sur le système.
- Pour chaque objet, déterminer si l'interaction est de contact ou à distance.
- Représenter ces interactions dans un diagramme objet-interactions (DOI).
Exemple : un livre posé sur une table
- Système : le livre.
- Objets agissant sur le livre :
- La Terre → force gravitationnelle (à distance) → poids $\vec{P}$
- La table → force de contact → réaction normale $\vec{R}$
Mesure d'une force : le dynamomètre
Un dynamomètre est un instrument qui mesure l'intensité d'une force grâce à l'allongement d'un ressort. Il est gradué en newtons (N).
L'unité de force dans le Système International est le newton (N), en hommage au physicien Isaac Newton (1642–1727).
Le principe des actions réciproques
Énoncé (3ᵉ loi de Newton)
Si un objet $$\vec{F}_{B/A} = -\vec{F}_{A/B}$$0 exerce une force $$\vec{F}_{B/A} = -\vec{F}_{A/B}$$1 sur un objet $$\vec{F}_{B/A} = -\vec{F}_{A/B}$$2, alors $$\vec{F}_{B/A} = -\vec{F}_{A/B}$$3 exerce sur $$\vec{F}_{B/A} = -\vec{F}_{A/B}$$4 une force $$\vec{F}_{B/A} = -\vec{F}_{A/B}$$5 telle que :
$$\vec{F}_{B/A} = -\vec{F}_{A/B}$$
Ces deux forces :
- ont la même direction (même droite d'action) ;
- ont la même norme (même intensité) ;
- sont de sens opposés ;
- s'exercent sur deux objets différents.
Exemple
Quand vous poussez un mur avec une force de 50 N, le mur vous repousse avec une force de 50 N en sens opposé. C'est pour cela que vous sentez une résistance.
⚠️ Attention : les deux forces réciproques s'exercent sur des objets différents. Elles ne s'annulent pas entre elles car elles ne s'appliquent pas au même système !
Résultante des forces
Lorsque plusieurs forces s'exercent sur un même système, on peut les combiner en une résultante :
$$\sum \vec{F} = \vec{F}_1 + \vec{F}_2 + \vec{F}_3 + \cdots$$
La résultante se calcule par addition vectorielle. Si $$\vec{F}_{B/A} = -\vec{F}_{A/B}$$6, on dit que les forces se compensent.
À retenir
- Une force modélise une action mécanique ; c'est un vecteur (point d'application, direction, sens, norme en N).
- On distingue les forces de contact (réaction, frottement, tension) et les forces à distance (gravitation, électrostatique, magnétique).
- Le principe des actions réciproques : $$\vec{F}_{B/A} = -\vec{F}_{A/B}$$7.
- Toujours commencer par un inventaire des forces (DOI) avant d'analyser un mouvement.