Les forces

BD d’introduction : Darth Vader

Une des façons d’étudier le mouvement d’un objet est de s’intéresser aux actions qu’il subit. Ce domaine de la physique s’appelle la mécanique et plus précisément la dynamique.

Types d’interactions

Un objet peut être soumis à différentes actions (par exemple être poussé, tiré…). Ces actions s’exercent généralement dans les deux sens, on les appelle donc des interactions (si le pied tape sur un ballon, le ballon agit aussi sur le pied).

On distingue deux types d’interactions :

  • les interactions de contact. Les objets doivent se toucher pour interagir. C’est le cas par exemple de la pression de l’air, de l’action du sol, d’un impact ou d’un choc, de la traction d’une corde, etc.).
  • les interactions à distance. Les objets n’ont pas besoin de se toucher pour interagir1. C’est principalement le cas de la gravitation ou du magnétisme.

Elles peuvent être localisées sur une partie de l’objet ou réparties sur l’ensemble de l’objet.

Certaines interactions sont tellement faibles qu’on peut les négliger par rapports aux autres. C’est par souvent le cas des frottements avec l’air.

Diagramme objet-interaction (DOI)

Lorsqu’on étudie un objet (ou un système) en physique, le tracé d’un diagramme objet-interaction (DOI) permet de trouver rapidement l’ensemble des interactions qui agissent sur cet objet.

Sur ce diagramme :

  • les cases représentent les systèmes qui interagissent entre eux.
  • chaque flèche représente une interaction.
  • les flèches pleines sont des interactions par contact (les systèmes se touchent).
  • les flèches en pointillés sont des interactions à distance (les systèmes ne se touchent pas).

Exemple : le sol agit par contact sur le ballon (il l’empêche de s’enfoncer dans le sol), l’air agit aussi par contact (il appuie sur le ballon à cause de la pression de l’air, cette action est ici négligeable) et la Terre agit à distance sur le ballon (elle l’attire vers le bas, même s’il n’y avait pas de contact entre la Terre et le ballon).

Exemple de DOI

Représentation d’une interaction

En physique, on représente une action par une force. On note généralement \(F_{A/B}\) la force exercée par \(A\) sur \(B\).

Une force a quatre caractéristiques :

  • un point d’application, c’est-à-dire l’endroit ou s’applique la force. Si l’action se fait à distance, le point de contact est le centre de l’objet2. Si l’action se fait par contact, deux cas sont possibles : soit l’action est localisée en un point précis et ce sera le point de d’application (par exemple le point d’impact du pied sur le ballon), soit l’action est répartie sur une surface et le point d’application sera le centre de cette surface (par exemple si on souffle sur le ballon).
  • une direction, c’est-à-dire la droite que suit l’action (par exemple verticale, horizontale ou le long d’une corde…).
  • un sens (par exemple vers le haut, le bas, la gauche ou la droite…).
  • une valeur ou une intensité qui s’exprime en newtons (symbole N, voir les unités internationales).

Sur un schéma, on peut ainsi représenter une force par une flèche qui possède les quatre mêmes caractéristiques :

  • le point d’application est la base de la flèche ;
  • la direction est la droite qui porte la flèche ;
  • le sens est la pointe de la flèche ;
  • l’intensité est la longueur de la flèche associée à une échelle indiquant combien de newtons représente un centimètre.

Exemple : le ballon est attiré verticalement vers le sol par la Terre avec une force de 2 newtons. Avec une échelle de 1 N par cm, on représentera la force par une flèche de 2 cm partant du centre du ballon et dirigée verticalement vers le bas :

Exemple de schéma de force

Système à l’équilibre

Pendant longtemps, les scientifiques pensaient que si un objet bougeait, c’était parce qu’il subissait des forces qui le mettaient en mouvement. Dès que les forces disparaissaient, l’objet devenait immobile.

Au XVIe siècle, avec Galilée, on abandonne cette idée. On considère alors que si aucune force ne s’applique à un objet, il continue à se déplacer indéfiniment en ligne droite à la même vitesse (puisque rien ne le freine, ne l’accélère ou ne le dévie). Si l’objet était immobile, alors il reste indéfiniment immobile en l’absence de force. Par contre, si l’objet subit une force, alors sa trajectoire ou sa vitesse doit être modifiée.

C’est ce qu’on appelle le principe d’inertie.

Lorsqu’un système ne subit aucune force (ou si toutes les forces qu’il subit se compensent et s’annulent), on dit que le système est à l’équilibre. Dans ce cas, soit l’objet est immobile, soit il a un mouvement rectiligne uniforme.

Inversement, si un objet est immobile ou a un mouvement rectiligne uniforme, alors le système est en équilibre et on en déduit que les forces qu’il subit se compensent.

Exemple : le ballon ne bouge pas. Si on néglige l’action de l’air, on en déduit que l’action de contact exercée par le sol compense l’attraction de la Terre (les deux forces ont donc la même intensité et les flèches qui les représentent ont la même longueur).

Exemple d’équilibre

Attention : pour que deux forces se compensent et s’annulent3, elles doivent avoir la même intensité, la même direction mais être de sens opposés.

Notes

  1. Les interactions à distances restent valables même si les objets se touchent. 

  2. Pour une interaction à distance, le point d’application n’est pas tout à fait le centre de l’objet. Par exemple, pour la gravitation, il faut tenir compte de la répartition de la masse dans l’objet (par contre, si cette répartition est homogène, cela correspond au centre de l’objet). 

  3. Dans le cas de 3 forces ou plus, il peut être plus difficile au collège de déterminer si elles se compensent.