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Etude des forces

Par Yann le 18/12/2017 Ressources > Physique-Chimie > Seconde > Mécanique > Les Forces

Qu’est-qu’une force ?

Une force permet de modéliser l’action d’un corps sur un autre.

Les effets d’une force

Une force est susceptible :

  • de modifier la vitesse d’un corps (éventuellement de le mettre en mouvement ou le stopper),
  • de modifier la trajectoire d’un corps (forces qui se compensent),
  • de déformer ce corps.

Selon les situations la force peut produire l’un de ces effets, deux d’entres eux ou les trois simultanément.

L’effet obtenu dépend de l’orientation de la force, de sa direction, de sa valeur et de la nature du corps qui subit cette force.

Les différents types de forces

On distingue les forces de contact et les forces à distance.

Les forces à distance

Les forces à distances peuvent s’exercer sans contact entre les objets. Les principales sont :

  • La force de gravitation : la force de gravitation est une force fondamentale qui correspond à l’attraction mutuelle s’exerçant entre deux corps de masse non négligeables. Ainsi la loi de l’attraction gravitationnelle démontre que deux corps de masses différentes placés en deux points distincts, exercent l’un sur l’autre des forces d’attraction directement opposées. C’est Isaac Newton qui eut l’idée de la gravitation universelle en regardant une pomme tomber. Les forces de gravitation s’exercent aussi bien sur des grandes distances comme par exemple des distances astronomiques (corps célestes…) qu’a des distances beaucoup plus petites c’est-à-dire microscopiques (entre noyaux, atomes etc…)
  • La force magnétique : c’est la force qui permet à un aimant d’attirer un morceau de fer ou qui oriente l’aiguille d’une boussole vers le nord. Les forces magnétiques agissent à distance. Par exemple, un morceau de fer et un aimant exercent l’un sur l’autre des forces à distance. Les forces magnétiques agissent soit par attraction soit par répulsion.
  • La force électrique : c’est la force qui attire des morceaux de papier vers une baguette en plastique qui a été frottée ou qui met les électrons en mouvement dans un circuit électrique. Ainsi deux corps chargés électriquement exercent l’un sur l’autre des forces à distance : si les corps possèdent des charges identiques, alors ils se repoussent. Au contraire, si les corps possèdent des charges différentes, ils s’attirent. Les forces électriques augmentent a mesure que la distance qui sépare les corps diminue.
  • Les forces nucléaires : ce sont des forces qui maintiennent ensemble les nucléons et assurent la stabilité du noyau des atomes. Les forces nucléaires sont parfois appelées forces fortes résiduelles. En réalité ce n’est une pas une ou deux forces nucléaires mais trois forces différentes qui s’exercent au sein des atomes. Une première force d’interaction forte permet la cohésion du noyau. La deuxième force est électromagnétique et est plutôt répulsive mais moins importante que la première. Enfin, la troisième force est faible et agit au sein même des nucléons.

Rappel : qu’est ce qu’un nucléon ? Les atomes représentent les éléments fondamentaux de la matière. Ils sont composés d’un noyau, formé de protons (particule élémentaire chargé positivement) et de neutrons (particule élémentaire non chargée), autour duquel gravitent les électrons. Les protons et les neutrons sont aussi appelés nucléons. Le nombre de nucléons par atome est donné par le nombre de masse A.

Les forces de contact

Les forces de contact se manifestent lorsqu’un corps est en contact avec un autre corps (solide, liquide et gazeux).

Les principales forces de contact sont :

  • La force de réaction d’une surface (sol, table ou autre) : lorsqu’un solide est posé sur un support, celui-ci exerce en chacun des points de contact des forces sur le solide.  Il s’agit de forces qui s’opposent au poids et empêchent un objet de tomber. Cette force est en général verticale et orientée vers le haut et compense souvent le poids. Si le solide est en équilibre sur le support les forces compensent le poids du solide. L’ensemble des forces de contact est équivalent à une force unique appelée réaction du support. (Cela déforme le support qui repousse le corps).
    Exemple : le contact d’un objet avec un autre objet : quand deux surfaces solides sont en contact l’une avec l’autre, elles exercent une réaction appelée réaction normale l’une sur l’autre. Les forces de réactions normales sont perpendiculaires à la surface de contact sinon les solides s’interpénétreraient entre eux.
  • Les forces de pressions exercées par un gaz ou un liquide : les fluides exercent sur les corps en contact avec eux des forces qui sont dites délocalisées.
    Exemple : la poussée d’Archimède.
    Archimède était un savant de l’antiquité très connu pour son principe de la poussée « Tout corps plongé dans un fluide au repos, entièrement mouillé par celui-ci ou traversant sa surface libre, subit une force verticale, dirigée de bas en haut et opposée au poids du volume de fluide déplacé ; cette force est appelée poussée d’Archimède. »

La légende d’Archimède explique que celui-ci aurait découvert ce principe en prenant son bain. Le roi Hérion II aurait demandé à Archimède de vérifier si sa couronne d’or qu’il avait fait faire par un joaillier était bien fabriquée en or pur et non en or et en argent. La forme de la couronne empêchant tout calcul,

Archimède était dans une impasse. Jusqu’au jour ou, quand il était au bain public il comprit le principe de la masse volumique : pour un même volume donné les corps n’ont pas le même poids. Il découvrit ainsi que l’artisan avait utilisé de l’argent et de l’or et avait essayé de tromper le roi.

C’est à ce moment qu’il aurait déclaré  sa célèbre phrase « Euréka ».

L’application du principe d’Archimède permet ainsi de comprendre les forces permettant la flottabilité des bateaux ou le principe des Montgolfières.

Qui était Archimède ? Qu’est ce que le principe d’Archimède ?

  • Les forces de frottement exercées par une surface ou par l’air sur un objet en mouvement : ce sont des forces qui s’opposent aux mouvements relatifs entre deux systèmes en contact. Les forces de frottement sont en fait causées par la présence de microsoudures qui se développent entre les surface et finalement cela créer une bonne adhérence. Les forces de frottements dépendant donc de la nature de la surface et de la normale et sont indépendantes de l’aire de contact et de la vitesse.

Les caractéristiques d’une force

Une force peut être définie à partir de différents éléments qui permettent de caractériser un vecteur :

  • Sa direction
  • Son sens
  • Sa valeur ou norme calculé en newton et qui peut parfois être appelée intensité
  • Son point d’application

Exemple :

La force correspondante au poids d’un objet est verticale, orientée vers le bas et sa valeur peut être mesurée à l’aide d’un dynamomètre ou obtenue grâce à la relation P = m x g.

Représentation d’une force

Les caractéristiques d’une force (directions, sens, point d’application et valeur) sont également celle correspondantes à un vecteur.

Une force est donc représentée par un vecteur ayant même direction et même sens que cette dernière et ayant une longueur qui est proportionnelle à sa valeur (en choisissant une échelle de représentation).

Exemple : un vecteur représentant le poids d’un ballon

représentation du poids par un vecteur

 

 

Forces qui se compensent

Comment faire le bilan des forces

Faire le bilan ou l’inventaire des forces consiste à faire la liste de toutes les forces exercées sur un objet.

Exemples :

  • Un objet posé sur une table est soumis à son poids et à la force de réaction de la table.
  • Un objet qui coule dans l’eau est soumis à son poids, à la poussée d’Archimède et aux frottements de l’eau.
  • Une planche à voile en mouvement sur l’eau est soumise à son poids, à la force de contact du vent, aux frottements de l’eau ainsi qu’à la poussée d’Archimède (ces deux dernières forces pouvant être englobées dans la réaction de l’eau).

Des forces qui se compensent

Deux forces se compensent si elles ont :

  • La même direction
  • Des sens opposés
  • La même valeur

Si on les représente par des vecteurs ces derniers sont opposés.

Exemple :

Lorsqu’un objet est suspendu à un fil, la force de contact exercée par le fil compense le poids de l’objet

Qu'est ce qu'une force qui se compense ?

Comment mesure-t-on une force ?

La force s’exprime en Newton qui est représentée par un N.

Pour déterminer la valeur d’une force, on peut utiliser un dynamomètre. Il s’agit d’un appareil dont la déformation est proportionnelle à la force de tension (appelée T) qu’il exerce ou bien la force F qu’il subit.

Ainsi le dynamomètre est constitué d’un ressort qui s’allonge en fonction de la force. Selon la raideur du ressort utilisé le dynamomètre peut évaluer des forces plus ou moins importantes.

L’allongement maximal est toujours donné par le constructeur. A chaque mesure il faut faire attention à ce que l’appareil revienne a zéro pour que toutes les mesures suivantes soit reproductibles.

Le tableau ci après donne quelque exemples d’unités dérivées du Newton parfois utilisées :

Unités dérivéesValeur
Kilo Newton1000 Newton
Deci Newton0,1 Newton
Centi Newton0,01 Newton
Milli Newton0,001 Newton

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Nayra
Invité

Merci beaucoup ! simple et efficace

Dana
Invité

Super pratique! 🙂

Sadi
Invité

Merci beaucoup à l’école je ne comprennais pas mais ici j compris encore un grand merci.

Gosse Didier
Invité

Très bien j’en suis fière