Que sont les Forces? (La physique)

Bien que vous connaissiez probablement le mot « force » et que vous l'ayez entendu utilisé dans les conversations de tous les jours (« Je n'avais pas le choix – il m'a forcé à le faire! »), connaissez-vous la définition physique de la force ?

Dans cet article, vous apprendrez non seulement ce qu'est une force, mais d'où vient l'idée et comment elle est utilisée en physique.

Pour entrer dans le bon état d'esprit physique pour comprendre les forces, rappelez-vous ce que vous savez sur mouvement. Vous pouvez décrire la position d'un objet (emplacement dans l'espace) et vous pouvez décrire comment cette position change dans le temps; le taux de changement de position par unité de temps est lerapidité. Vous pouvez également décrire comment cette vitesse change - le taux de changement de vitesse par unité de temps est appeléaccélération​.

Ces grandeurs physiques – position, vitesse et accélération – sont toutes quantités vectorielles, ce qui signifie qu'ils ont une magnitude et une direction qui leur sont associées.

Si un objet est au repos, comme une pierre posée sur un trottoir, vous êtes probablement assez confiant qu'il y restera jusqu'à ce que quelque chose le fasse bouger. Soit quelqu'un qui marche le long du trottoir lui donne un coup de pied, soit le rocher est assez léger pour être poussé par un vent fort. Lorsque cela se produit, son mouvement change. La quantité physique qui provoque ce changement, comme nous l'apprendrons, est une force.

Vous avez probablement aussi le sentiment que certains objets sont plus difficiles à déplacer que d'autres. Imaginez un petit caillou comparé à un gros rocher. Vous auriez besoin de frapper le rocher beaucoup plus fort pour le faire bouger. De même, si deux objets – un léger et un lourd – étaient déjà en mouvement, il est beaucoup plus difficile de faire s'arrêter le plus lourd.

Cette résistance d'un objet à tout changement dans son mouvement s'appelle son inertie. La quantité de force nécessaire pour effectuer un certain changement dépendra de la masse, qui est une mesure de l'inertie.

L'idée d'une force existe depuis longtemps, mais elle n'a pas été bien comprise en grande partie à cause de mauvaises interprétations de la friction.

Aristote a proposé que tous les objets ont un état naturel dans lequel ils veulent se reposer et qu'ils le feront à moins qu'une force n'agisse. Il a utilisé cette notion pour expliquer pourquoi les objets tombent sur la terre ou ralentissent jusqu'à s'arrêter après avoir été poussés.

Galilée, cependant, réfuta cette idée et expliqua l'existence d'une force d'arrêt appelée friction. Il a déterminé que les objets continueraient à se déplacer en ligne droite s'il n'y avait pas de friction pour les ralentir.

Sir Isaac Newton a donné une formalisation plus large aux observations de Galilée avec son célèbre trois lois du mouvement. Il a pu décrire ce que font les forces, comment elles agissent et même attribuer des nombres avec des unités au concept.

La première loi du mouvement de Newton - parfois appelée loi d'inertie - stipule qu'un objet au repos reste dans un état de repos à moins qu'une force déséquilibrée n'agisse sur lui. Cette partie est assez intuitive lorsque vous repensez à frapper le rocher sur le trottoir. De plus, cette loi stipule que tout objet subissant un mouvement à vitesse constante (mouvement à vitesse constante sur une trajectoire en ligne droite) continuera à le faire à moins qu'il n'agisse sur une force externe nette.

Cette deuxième partie de la première loi est moins intuitive car dans nos interactions quotidiennes, les objets n'ont pas tendance à bouger indéfiniment. Mais c'est parce qu'ils sont sollicités par une force de résistance appelée friction.

La deuxième loi du mouvement de Newton stipule que la force nette sur un objet (qui est la somme vectorielle de toutes les forces agissantes) est égale au produit de la force de l'objet. Masse et l'accélération. Autrement dit:

La deuxième loi du mouvement de Newton a pu expliquer pourquoi il faut pousser plus fort sur des objets lourds que sur des objets plus légers pour les amener à changer de mouvement. Il a également formellement lié la force à la quantité physique d'accélération, qui est le changement dans le mouvement de l'objet.

La troisième loi du mouvement de Newton explique en outre comment les forces viennent par paires. Il indique que si l'objet A applique une force à l'objet B, alors l'objet B applique une force à l'objet A qui est égale en amplitude et dans la direction opposée de la force sur l'objet B.

La troisième loi de Newton explique pourquoi les armes à feu reculent lorsqu'elles sont tirées et pourquoi, si vous vous tenez sur une planche à roulettes et que vous poussez contre un mur, vous finissez par rouler en arrière.

Une force peut être considérée comme une poussée ou une traction. Si une seule force agit sur un objet, cette force unique fera changer le mouvement de l'objet en proportion inverse de sa masse.

La force est une quantité vectorielle, ce qui signifie qu'elle a une amplitude et une direction. La direction d'une force nette est toujours la même que la direction de l'accélération ou du changement de mouvement (qui peut être opposé à la direction du mouvement dans de telles situations où un objet ralentit vers le bas.)

L'unité SI de force est le newton où 1 N = 1 kgm/s². L'unité CGS est la dyne où 1 dyne = 1gcm/s².

Vous savez déjà que vous pouvez exercer vous-même une force sur un objet en le poussant ou en le tirant. C'est ce qu'on appelle une force de contact car elle nécessite un contact. Mais il existe également de nombreux autres types de forces.

Voici une liste de certaines forces courantes que vous rencontrez lorsque vous étudiez la physique :

• ​Force gravitationnelle:le la force de la gravité sur un objet peut être observé lors d'un mouvement de chute libre, dans lequel un objet accélère vers le sol. Mais la force gravitationnelle est aussi ce qui maintient les planètes en orbite et ce qui vous empêche de vous envoler dans l'espace.
• ​Force normale:Il s'agit d'une force de soutien qui agit perpendiculairement à une surface et qui empêche les objets de tomber à travers le sol ou le dessus d'une table.
• ​Force électromagnétique :Cela se réfère collectivement aux forces magnétiques et aux forces électrostatiques. Ces types de forces sont le résultat d'une charge ou d'une charge mobile. C'est la raison pour laquelle les électrons se repoussent et les aimants se collent les uns aux autres.
• ​Forces de frottement :le force de frottement est une force qui s'oppose au mouvement d'un objet. C'est la raison pour laquelle il est plus difficile de faire glisser un livre sur la table que de faire glisser un livre sur une plaque de glace. La force de frottement varie en fonction des surfaces qui sont en contact les unes avec les autres.
• ​Résistance à l'air:Cette force est similaire au frottement. Il résulte du fait que l'air lui-même s'oppose au mouvement des objets qui le traversent. Si un objet tombe assez longtemps, la force de la résistance de l'air lui permettra d'atteindre sa vitesse terminale.
• ​Force de traction :Il s'agit d'un type de force qui est transféré le long d'une ficelle, d'un fil ou de quelque chose de similaire.
• ​Autres forces fondamentales :Il existe quatre forces fondamentales de la nature. Deux sont la gravité et l'électromagnétisme, qui ont déjà été répertoriés, et les deux autres sont la force nucléaire faible et la force nucléaire forte. Ces deux derniers n'affectent généralement que les choses à une échelle subatomique, c'est pourquoi vous n'en avez peut-être jamais entendu parler.

La deuxième loi de Newton fait mention d'un force nette. La force nette sur un objet est la somme vectorielle de toutes les forces agissant sur un objet.

Par exemple, vous pouvez avoir deux personnes qui poussent sur un bloc dans des directions opposées avec des forces égales. Mais la force nette finit par être 0, ce qui signifie que le bloc ne bouge pas car ces deux forces s'annulent.

Les diagrammes de corps libres sont des croquis que vous pouvez dessiner indiquant l'amplitude et la direction de chaque vecteur de force sur un objet avec une flèche de longueur proportionnelle pointant dans la direction de la force. Lorsque vous résolvez des problèmes de physique impliquant des forces, vous esquisserez probablement beaucoup de ces diagrammes car il aide à visualiser quelles forces agissent et explique plus clairement comment additionner les forces pour obtenir le filet Obliger.

S'il n'y a pas de force nette sur un objet, cela signifie, via la deuxième loi de Newton, que l'accélération de l'objet est 0. En d'autres termes, l'objet doit avoir une vitesse constante.

• Notez que la vitesse constante n'est pas la même que la vitesse 0. Un objet se déplaçant à une vitesse constante de 2 m/s par exemple, n'a nécessairement aucune force nette agissant sur lui.

Vous avez peut-être entendu parler d'une force appelée force centripète. Cela n'a pas été répertorié avec les autres forces dans la section précédente car il s'agit en fait d'un type de force nette. C'est la force nette dans la direction radiale pour tout objet subissant un mouvement circulaire.

Le mouvement circulaire, même à vitesse constante, n'est pas un mouvement à vitesse constante car il ne maintient pas une trajectoire rectiligne. Une certaine combinaison de forces doit agir pour provoquer un mouvement circulaire. La force centripète est la force radiale nette qui provoque ce type de mouvement.

• Ne pas confondre force centripète et force centrifuge. Cette dernière est en fait considérée comme une pseudo-force. C'est la force qui semble agir sur un objet en mouvement circulaire. Par exemple, lorsque vous êtes dans une voiture qui tourne un virage, vous pouvez avoir l'impression d'être pressé contre le côté de la voiture, mais ce qui se passe réellement, c'est qu'une force vous tire dans un chemin courbe.

Certaines forces semblent agir mystérieusement sans contact. Un exemple que vous connaissez bien est la force gravitationnelle. Lorsqu'un objet tombe, la terre tire cet objet vers lui sans même le toucher.

Un outil mathématique que les physiciens ont développé pour décrire ce phénomène est la notion de champ. (Oui, un "champ de force" mais pas celui qui vous protège des torpilles à photons !)

Un champ gravitationnel est l'affectation, à chaque point de l'espace, d'un vecteur qui indique la magnitude relative et direction de la force gravitationnelle à cet endroit indépendamment de quel objet peut subir une force à cet endroit emplacement. La valeur du champ gravitationnel en un point donné serait simplement la force gravitationnelle qui serait ressentie par une massemà cet endroit, mais divisé parm​.

Cette notion de champ de force permet d'expliquer ces forces « mystérieuses » qui semblent agir sans rien toucher, en décrivant la force comme résultant d'un objet interagissant avec le domaine.

Tout comme les champs gravitationnels, vous pouvez également avoir un champ électrique ou un champ magnétique qui décrivent le force relative par unité de charge ou (force par unité de moment magnétique) qu'un objet ressentirait dans n'importe quel emplacement.