Force

Force en physique

La force peut également être définie comme une poussée ou une traction qui agit sur un objet. Une force qui agit peut arrêter un objet en mouvement, déplacer un objet repos ou changer la direction de son mouvement. Ceci est fondé sur la 1ʳᵉ loi du mouvement de Newton qui stipule qu'un objet continue d'être dans un état de repos ou à se déplacer avec une vitesse uniforme jusqu'à ce qu'une force externe agisse sur lui. La force est une quantité vectorielle, car elle a une direction et une norme.

Vecteur force

L'équation de la force est donnée par la 2ᵉ loi de Newton dans laquelle il est indiqué que l'accélération ressentie par un objet en mouvement est directement proportionnelle à la force qui agit sur lui et inversement proportionnelle à la masse de l'objet. La 2ᵉ loi de Newton peut être représentée comme suit : \[\vec{a}=\frac{\vec{F}}{m}\] Ou \(\vec{F}\) représente la résultante des forces extérieures exercées sur un système.

Cette relation peut également être écrite sous la forme : \[\vec{F} = m\vec{a}\]

Où \(F\) est la force en Newton, \(m\) est la masse de l'objet en \(kg\), et \(a\) est l'accélération du corps en \(m/s^2\). En d'autres termes, lorsque la force agissant sur un objet augmente, son accélération augmente à condition que la masse reste constante.

4 caractéristiques d'une force

Étant un vecteur, la force a les quatre caractéristiques suivantes :

1. Le point d'application : c'est le point du système auquel la force est appliquée. Par exemple, le centre de gravité pour une force à distance comme la pesanteur.
2. La direction : c'est la ligne qui supporte le vecteur force. Elle peut être horizontale, verticale ou oblique.
3. Le sens : chaque direction peut avoir deux sens. Par exemple, sur la direction verticale, un vecteur peut pointer soit vers le haut, soit vers le bas.
4. Le module ou la norme : c'est l'intensité de la force mesurée en newtons.

Unité de force en physique

L'unité SI de la force est le Newton et elle est généralement représentée par le symbole \(N\). \(1 N\) peut être défini comme une force qui produit une accélération de \(1 m/s^2\) dans un objet de masse \(1 kg\).

Les forces étant des vecteurs, leurs modules peuvent être additionnés en fonction de leurs directions.

Fig. 1 - Les forces peuvent être additionnées ou soustraites l'une de l'autre afin de trouver la force résultante, selon que les forces agissent dans la même direction ou dans des directions opposées.

Regarde l'image ci-dessus, si les forces agissent dans des directions opposées, le vecteur de la force résultante sera leur différence et dans le sens de la force qui a la plus grande norme. Deux forces agissant sur un point dans la même direction peuvent être additionnées pour produire une force résultante dans le sens des deux forces.

Nous avons parlé du fait qu'une force peut être définie comme une poussée ou une traction. Une poussée ou une traction ne peut se produire que lorsque deux objets ou plus interagissent entre eux. Mais, les forces peuvent aussi être ressenties par un objet sans qu'il y ait de contact direct entre les objets. Comme telles, les forces peuvent être classées en forces de contact et forces à distance.

Que sont les forces de contact ?

Examinons quelques exemples de force de contact.

La réaction normale du support

La réaction normale du support est le nom donné à la force qui agit entre deux objets en contact l'un avec l'autre. La force de réaction normale est la force qui nous empêche de tomber par terre et qui tient notre ordinateur portable sur la table sans tomber ! La force de réaction normale agit toujours perpendiculairement à la surface, d'où son nom de force de réaction normale.

Fig. 2 - Nous pouvons déterminer la direction de la force de réaction normale en considérant la direction perpendiculaire à la surface de contact. Le mot normal est juste un autre mot pour perpendiculaire ou "à angle droit".

La force normale sur la boîte est égale à la force normale exercée par la boîte sur le sol, c'est le résultat de la 3ᵉ loi de Newton. La 3ᵉ loi de Newton stipule que pour chaque force, il existe une force égale agissant dans la direction opposée.

Comme l'objet est immobile, nous disons que la boîte est en équilibre. Lorsqu'un objet est en équilibre, nous savons que la force totale agissant sur l'objet doit être nulle. Par conséquent, la force de gravité qui tire la boîte vers la surface de la Terre doit être égale à la force de réaction normale qui l'empêche de tomber vers le centre de la Terre.

La force de frottement

Même une surface apparemment lisse subira un certain frottement en raison des irrégularités au niveau atomique. Sans friction s'opposant au mouvement, les objets continueraient à se déplacer à la même vitesse et dans la même direction, comme le stipule la 1ʳᵉ loi du mouvement de Newton. Des choses simples comme la marche aux systèmes complexes comme les freins d'une automobile, la plupart de nos actions quotidiennes ne sont possibles que grâce à l'existence des frottements.

Fig. 3 - La force de frottement sur un objet en mouvement agit en raison de la rugosité de la surface

Que sont les forces à distance

Examinons quelques exemples de force à distance.

Force gravitationnelle de Newton

La force d'attraction subie par tous les objets qui ont une masse dans un champ gravitationnel s'appelle la gravité. Cette force gravitationnelle est toujours attractive et sur la Terre, elle agit vers son centre. La force moyenne du champ gravitationnel de la Terre est de 9,8 N/Kg. Le poids d'un objet est la force qu'il subit en raison de la gravité et est donné par la formule suivante : \[P=mg\]

Où \(P\) est le poids de l'objet, \(m\) est sa masse et \(g\) est l'intensité du champ gravitationnel à la surface de la Terre. À la surface de la Terre, l'intensité du champ gravitationnel est approximativement constante. Nous disons que le champ gravitationnel est uniforme dans une région particulière lorsque l'intensité du champ gravitationnel a une valeur constante. La valeur de l'intensité du champ gravitationnel à la surface de la Terre est égale à \(9,8 m/s^2\).

Fig. 4 - La force gravitationnelle de la Terre sur la Lune agit vers le centre de la terre. Cela signifie que l'orbite de la Lune décrira un cercle presque parfait, nous disons presque parfait car l'orbite de la lune est en fait légèrement elliptique, comme tous les corps en orbite.

Force magnétique

La force magnétique est la force d'attraction ou de répulsion entre les pôles d'un aimant. Les pôles nord et sud d'un aimant ont une force d'attraction tandis que deux pôles semblables ont une force de répulsion.

Fig.5. Forces d'attraction et de répulsion entre deux aimants.

D'autres exemples de force à distance sont les forces nucléaires et la force électrostatique qui s'exerce entre des objets chargés.

Exemples de force

D'autres exemples de forces de contact sont la résistance de l'air et la tension. La résistance de l'air est la force de frottement que subit un objet lorsqu'il se déplace dans l'air. La résistance de l'air est due aux collisions avec les molécules d'air. La tension est la force que subit un objet lorsqu'un matériau est étiré. La tension dans les cordes d'escalade est la force qui agit pour empêcher les grimpeurs de tomber au sol lorsqu'ils glissent.