FORCES
ACTIONS MÉCANIQUES
(cours de physique - collège)
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Effets d'une action mécanique

Une action mécanique sur un corps peut: (1) entraîner sa déformation (2) entraîner sa mise en mouvement (3) entraîner la modification de sa trajectoire (4) entraîner la modification de sa vitesse initiale.

(1) entraîner sa déformation
Les mains du perchiste exercent une action de contact qui déforme la perche.

(2) entraîner sa mise en mouvement
Le pied du footballeur exerce une action mécanique sur le ballon qui entraîne sa mise en mouvement.
(3)  entraîner la modification de sa trajectoire
L'action mécanique de contact exercée sur la balle modifie sa trajectoire.
(4) entraîner la modification de sa vitesse initiale.
Le vent exerce une action de contact constante sur la toile.  La bateau accélère tant que cette force constante s'exerce.

Différents types d'actions mécaniques

On distingue:

L'action de contact car elle s'exerce au contact de l'objet.  L'action mécanique du marteau s'exerce sur le sommet du clou qui est appelé zone de contact.

L'action à distance car elle s'exerce à une certaine distance du corps.  Par exemple la force gravitationnelle exercée par le soleil sur la terre s'exerce à distance.  Elle oblige la terre à rester en orbite autour de l'étoile.  De même la terre exerce une force gravitationnelle sur la Lune l'obligeant
à tourner autour d'elle.  De même les forces magnétiques sont des forces qui s'exercent à distance.  Une pièce de 50c (en nickel) est attirée par un aimant à distance.  Les forces électriques agissent
également à distance.  Une règle frottée sur de la laine attire des morceaux de papier à distance.

modélisation mathématique d'une force (ou action mécanique)

Pour rendre compte des effets d'une action mécanique on la symbolise par un vecteur caractérisé par:
- son point d'application
- sa droite d'action ou direction
- son sens
- son intensité mesurée en Newton (N), l'unité de mesure des forces en physique.
 

Soit la force F exercée par le clou sur le bois.  Le point d'application de la force est le point O.  Sa droite d'action est la verticale.  Son sens est vers le bas.   Son intensité vaut 1OO N Newton.  La force est symbolisée par un vecteur de direction verticale, dirigé vers le bas et appliqué au point 0.  Avec une échelle de 1 cm = 50 N le vecteur a pour longueur 2 cm.
 
 

Quelques valeurs de forces (approximatives)

1 doigt exerce sur un poussoir d'un stylo une force de 1N - Un pied sur une pédale de vélo exerce un force de 100N - 1 pied de footballeur exerce sur un ballon une force de 1500N - Un moteur d'avion exerce sur les gaz qu'il éjecte une force de 100 000N - Les moteurs d'Ariane exercent sur les gaz une force de 11 360 000 N - La force gravitationnelle exercée par la Terre sur la Lune (et vice et versât) est égale à
198 000 000 000 000 000 000 N

Équilibre d'un corps soumis à deux forces

Un corps soumis à deux forces est en équilibre si ces deux forces ont même direction, même intensité et un sens opposée.  Un bateau qui flotte est soumis à deux forces de même intensité, de direction verticale et de sens opposé.  Ces deux forces sont la poussée d'Archimède et la force de pesanteur (gravitationnelle) exercée par la Terre sur le bateau.
 
 
 

Un exemple de force à distance: le poids

Si on lâche un objet, il tombe.  Il est attiré par la Terre.  La force à distance exercée par la terre sur les objets est appelée le poids de l'objet.  Le poids d'un objet est la force d'attraction exercée par la Terre sur cet objet.  Cette force diminue avec la distance Terre-objet.  Elle est inversement proportionnelle au carré de cette distance.  Pour connaître ton poids (en Newton)  approximativement il suffit de multiplier ta masse (en kg) par 9,81 N/kg (P = m x 9,81).  Par exemple si tu pèse 58kg, la force d'attraction qu'exerce sur ta personne la Terre est environ égale à 569N.  C'est cette force qui te cloue au sol.  A une altitude de 25 600 km la force d'attraction ne serait plus que de 36 N (l'équivalent d'une masse de 3,7 kg sur Terre).  C'est cette force qui oblige la Lune à ne pas s'éloigner de la Terre.  La Lune est en équilibre entre la force d'attraction terrestre et la force centrifuge créée par sa vitesse circulaire.  Sans vitesse la lune nous tomberait dessus ...

Pour aller plus loin: Les lois de Newton ou principes de la dynamique

loi n°1 ou principe de l'inertie : Dans un référentiel galiléen, le centre d'inertie G d'un solide soumis à un ensemble de forces dont la somme est nulle est soit au repos, soit animé d'un mouvement rectiligne uniforme (accélération nulle). 
Cela signifie que si on pousse un objet, comme une voiture, et qu'il n'y a aucun frottement entre les roues et le sol, la voiture continue
a rouler perpetuellement. C'est ce qui se passe dans l'espace. Loin des planetes et de leur atmoshphere (molecules de gas qui ralentissent
la sounde) une sonde spatiale n'utilise plus ses moteurs. Elle continue a avancer avec la meme vitesse car aucune force ne la ralantit ou ne la pousse.
Son mouvement est rectiligne uniforme. SI tu lance un objet sur de la glace il peut aller loin. Les forces de frottements sont faibles et l'objet
va decelerer que tres lentement. Ce principe a ete inttoduit par Galileo Galilee. Il a fait des experiences avec des plans inclines:
i.
Voici un plan incline comme ceux utilises par Galileo GAlile
La balle en haut du plan a une certaine energie (potentielle)
due a sa position par rapport au sol. Liberee elle roule le long du plan et accelere
tant que sa position est surelevee. Au niveau du sol elle est soumise a auncune force et pourrait continuer a rouler indefiniment sans la presence de frottement.

loi n°2 ou théorème de centre d'inertie : Dans un référentiel galiléen, la somme des forces appliquées à un objet ponctuel est égale au produit de la masse de l'objet par son accélération.
Cela se tranduit mathematiquement par: F = M a . F est la force exercee sur l'objet (en newtons (N)), M la masse de l'objet (en kilogrammes (Kg) ) et a est l'acceleration de l'objet (en metres par second (m/s)). La cause c'est la Force F et l'effet c'est l'acceleration a. Si on garde la force constante (en poussant un objet par exemple) un objet accelere mais son acceleration est inversement proportionelle a sa masse. Par exemple:  on peut pousser avec la meme force
une petite voiture ou un camion mais le resultat sera different. La masse du camion est tellement importante que l'acceleration (mise en mouvement
dans ce cas) du camion est imperceptible. L'acceleration a toujours la meme direction et le meme sens que la force. Ce sont des vecteur
proportionnels. L'acceleratiion et la force ont une direction (ligne d'action) et un sens (vers la droite ou la gauche, vers le haut ou le bas).

loi n°3 ou principe d'interaction: Lorsqu'un solide S1 exerce une force F1/2 sur un solide S2 alors le solide S2 exerce une force F2/1 sur le solide S1 tel que F1/2 et F2/1 aient même intensité, même droite d'action mais un sens opposé.
C'est le principe d'action - reaction. Si tu as des patins (pour diminuer les frottements entre le sol et tes pieds) et si tu pousse sur un mur, le mur
te pousse avec la meme force mais dans la direction inverse. Tu acceleres en arriere avec une acceleration inversement proportionnelle a
ta masse. Le mur aussi subit la meme force. Son acceleration est infiniment faible a cause de sa masse tres grande par rapport a
ta faible force.



Si tu sautes de cette planche pour aller de l'avant, la planche bouge vers l'arriere par reaction. La force exercee sur la planche ou sur toi est la meme. Ce qui change c'est l'acceleration car la masse de la planche est plus petite. C'est ce meme principe qui fait avancer les fusees. La fusee expulse
les gaz vers l'arriere et les gaz par reaction la pousse en avant.
Cette illustraction provient d'un site de la NASA qui explique comment ce principe est appliquee pour faire avancer les sondes spatiales, les fusees, la navette spatiale ...

L'explosion pousse la balle hors du cannon et le cannon recul. La force exercee sur le cannon et la force exercee sur la balle est la meme. Ce qui change c'est l'acceleration car la masse de la balle est tres petite
comparee a celle du cannon.




Newton le fondateur de la mécanique classique ou mécanique Newtonienne

Isaac Newton (1643-1727). Mathématicien, physicien, astronome et philosophe anglais.  Ses principaux travaux portèrent sur le calcul infinitésimal, la nature de la lumière blanche et la gravitation universelle.  Il montra, à l'aide d'un prisme, que la lumière blanche (lumière visible) se composait en réalité de différentes couleurs (les couleurs de l'arc en ciel).  A l'aide d'un prisme il décomposa la lumière blanche et obtint un spectre de couleurs (rouge, orange, jaune, vert, bleu, violet). C'est lui qui montra que l'attraction gravitationnelle entre deux objets célestes décroît comme l'inverse de la distance qui les sépare.  Il peut ainsi justifier les lois de Kepler qui décrivent le mouvement des planètes autour du Soleil.  S'appuyant sur les travaux de Kepler, Newton montra que les forces qui s'exercent entre les astres et la force qui nous attirent vers le sol sont de même nature.  Il explique ainsi de nombreux phénomènes comme le mouvement de la Lune, les marées, la formation des étoiles ... On raconte qu'il mit au point sa théorie lors d'une retraite forcée dans la maison de campagne de son père. En effet, alors qu'il enseignait les maths à Londres, la peste noire le força à interrompre son travail et à méditer dans le jardin de son père ... Une pomme serait tombée devant lui, inspirant ses réflexions sur la gravitation...  Il s'intéressa aussi à l'alchimie et à la théologie.  En 1703 il est élu à la Royal Society et il régna en tyran sur les sciences anglaises (il avait mauvais caractère).  Il a invente l'analyse qui utilise les integrales et les derivees. Il a developpe cette matiere afin de mettre en equation ses principes et  les demontrer. L'analyse fut aussi inventee en meme temps par un allemand Leibnitz. Newton furieux fit tout pour discrediter son concurrent.
Aujourdhui on utilise les notations de Leibnitz.

Anobli en 1705 il sera l'un des 48 actionnaires de la Compagnie des Indes. 
La théorie de Newton sera remise en question par Einstein qui publie en 1917 la théorie de la relativité générale.
Einstein implifia les choses en introduisant l'idee de la courbature de l'espace temps ...

Un site consacré à Newton (en anglais)


 
 

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