La force est un terme que nous utilisons tout le temps dans le langage courant. Parfois, les gens parlent de « la force de la nature », et parfois, nous faisons référence à des autorités telles que les forces de police. Peut-être que tes parents te « forcent » à réviser en ce moment ? Nous ne voulons pas t'imposer le concept de force. Pourtant, il serait certainement utile de savoir ce que nous entendons par force en physique pour tes examens ! Probablement, l'une des découvertes de Newton les plus importantes, est qu'une force est de nature vectorielle !
Dans ce résumé de cours, tu verras :
- la définition d'une force ;
- le vecteur force ;
- les 4 caractéristiques d'une force ;
- les forces de contact comme la force de frottement ;
- les forces à distance comme la force magnétique.
Es-tu prêt à un nouveau voyage scientifique ? C'est parti !
Force en physique
La force est définie comme toute influence qui peut modifier la position, la vitesse et l'état d'un objet.
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.
Quelle est l'accélération produite sur un objet d'une masse de \(10 Kg\) lorsqu'une force de \(13 N\) est appliquée sur lui ?
Nous savons que : \[a=\frac{F}{m}= \frac{13}{10}\] \[a=1,3 m/s^2\]
La force résultante produit une accélération de \(1,3 m/s^2\) sur l'objet.
4 caractéristiques d'une force
Étant un vecteur, la force a les quatre caractéristiques suivantes :
- 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.
- La direction : c'est la ligne qui supporte le vecteur force. Elle peut être horizontale, verticale ou oblique.
- 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.
- 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.
La force résultante est une force unique qui a le même effet que deux ou plusieurs forces indépendantes.
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.
Quelle est la force résultante sur un objet lorsqu'il est soumis à une force de poussée de \(25 N\) et à une force de frottement de \(12 N\) ?
La force de frottement sera toujours opposée à la direction du mouvement, par conséquent la force résultante est de : \[F= 25 - 12=13 N\]
La force résultante agissant sur l'objet est de \(13 N\) dans la direction du mouvement du corps.
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 ?
Les forces de contact sont des forces qui agissent lorsque deux ou plusieurs objets entrent en contact l'un avec l'autre.
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.
La force de la réaction normale du support est la force subie par deux objets en contact l'un avec l'autre et qui agit perpendiculairement à la surface de contact entre les deux objets. Son origine est due à la répulsion électrostatique entre les atomes des deux objets en contact l'un avec l'autre.
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
La force de frottement est la force qui agit entre deux surfaces qui glissent ou tentent de glisser l'une contre l'autre.
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
Les forces à distance agissent entre les objets même s'ils ne sont pas physiquement en contact l'un avec l'autre.
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
Un livre posé sur une table subit une force appelée la réaction normale du support, qui est normale à la surface sur laquelle il repose. Cette force normale est la réaction au poids du livre agissant sur le plateau de la table (troisième loi de Newton). Elles sont égales, mais de direction opposée.
Même lorsque nous marchons, la force de frottement nous aide constamment à nous pousser vers l'avant. La force de frottement entre le sol et la plante de nos pieds nous aide à nous agripper tout en marchant. Sans le frottement, se déplacer serait une tâche très difficile, un peu comme sur la glace. Un objet ne peut se mettre en mouvement que lorsque la force extérieure dépasse la force de frottement entre l'objet et la surface sur laquelle il repose.
Fig.6. Force de frottement lors de la marche sur différentes surfaces
Le pied pousse le long de la surface, donc la force de friction sera ici parallèle à la surface du sol. Le poids agit vers le bas et la force de réaction normale agit à l'opposé du poids. Dans la deuxième situation, il est difficile de marcher sur la glace en raison de la faible quantité de friction agissant entre la plante des pieds et le sol, ce qui explique pourquoi nous glissons.
Un satellite qui rentre dans l'atmosphère terrestre subit une forte résistance de l'air et des frottements. Alors qu'il tombe à des milliers de kilomètres par heure vers la Terre, la chaleur de la friction brûle le satellite.
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.
Forces - Points-clés
- La force est définie comme toute influence susceptible de modifier la position, la vitesse et l'état d'un objet.
- La force peut également être définie comme une poussée ou une traction qui agit sur un objet.
- La première loi du mouvement de Newton stipule qu'un objet continue à être au repos ou à se déplacer à une vitesse uniforme jusqu'à ce qu'une force externe agisse sur lui.
- La deuxième loi du mouvement de Newton stipule que la force agissant sur un objet est égale à sa masse multipliée par son accélération.
- L'unité SI de la force est le Newton \(N\) et elle est donnée par \(F=ma\).
- La troisième loi du mouvement de Newton stipule que pour chaque force, il existe une force égale agissant dans la direction opposée. La force est une quantité vectorielle, car elle a une direction et une norme.
- Nous pouvons classer les forces en deux catégories : les forces de contact et les forces à distance.
- Les exemples de forces de contact sont les frottements, la force de réaction et la tension.
- Les exemples de forces sans contact sont la force gravitationnelle, la force magnétique et la force électrostatique.
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