Les forces, qui modélisent les actions mécaniques, permettent d'expliquer le mouvement des corps dans le référentiel terrestre.
Rappels sur les actions mécaniques
Définition
Action mécanique
Une action mécanique est un concept utilisé pour décrire tout phénomène provoquant une modification du mouvement d'un corps ou une déformation.
Les différents types d'actions mécaniques
Actions de contact et à distance
On distingue :
- Les actions de contact qui ne s'exercent que lors du contact entre l'acteur et le receveur.
- Les actions à distance qui peuvent s'exercer même si l'acteur et le receveur ne sont pas en contact.
Les diagrammes objet − interaction
Diagrammes objet − interaction
Les diagrammes objet − interaction permettent de représenter les interactions existant entre un objet que l'on a décidé d'étudier et d'autres objets. Généralement, les actions de contact y sont représentées par des flèches pleines alors que celles à distance y sont représentées par des flèches en pointillés.
Les forces
Les caractéristiques d'une force F sont :
- Son point d'application (le point à partir duquel elle s'exerce)
- Sa direction
- Son sens
- Sa valeur, son intensité ou sa norme, exprimée en Newtons (N) et notée F
La force \(\displaystyle{\overrightarrow{F}}\) qui modélise l'action mécanique exercée par le footballeur sur le ballon a pour caractéristiques :
- Son point d'application : point de contact entre le pied du footballeur et le ballon
- Sa direction : celle dans laquelle le footballeur tire
- Son sens : du pied du footballeur vers l'extérieur
- Sa valeur : F
Pour représenter un vecteur force sur un schéma, il faut définir une échelle mettant en relation la valeur en Newton (N) à sa longueur en centimètres (cm).
Un joueur de cricket exerce une force \(\displaystyle{\overrightarrow{F}}\) de valeur 12 N. Si l'échelle choisie pour représenter les forces est : 1,0 cm ⇔ 4,0 N, la longueur du vecteur représentant cette force est :
\(\displaystyle{\dfrac{12}{4,0}=3,0}\) cm
Il ne faut pas confondre :
- Le vecteur force ( \(\displaystyle{\overrightarrow{F}}\) par exemple) et la valeur de la force (F) qui n'est qu'une de ses caractéristiques.
- La valeur de la force (F) et la longueur du vecteur qui la représente, en écrivant par exemple \(\displaystyle{F = 3,0}\) cm . Les valeurs des forces sont toujours exprimées en Newtons (N).
Les corps soumis à aucune force ou à des forces qui se compensent
L'état d'un corps est le même s'il n'est soumis à aucune force ou à des forces qui se compensent, c'est-à-dire si leur somme vectorielle est égale au vecteur nul.
Deux forces se compensent si elles ont les mêmes directions et valeurs mais des sens opposés.
Pour savoir si plus de deux forces se compensent, une construction graphique est nécessaire.
Ici, le poids de la bille (\(\displaystyle{\overrightarrow{P}}\)), la tension du fil (\(\displaystyle{\overrightarrow{T}}\)) et la force exercée par l'aimant (\(\displaystyle{\overrightarrow{F}}\)) se compensent car :
\(\displaystyle{\overrightarrow{P} + \overrightarrow{T} + \overrightarrow{F} = \overrightarrow{0}}\)
Le mouvement, dans le référentiel terrestre, d'un corps soumis à aucune force ou à des forces qui se compensent dépend de sa vitesse initiale :
- Si sa vitesse initiale est nulle, le corps demeure au repos.
- Si sa vitesse initiale est non nulle, le corps demeure en mouvement rectiligne et uniforme à la même vitesse.
Une balle posée sur une table est soumise à des forces qui se compensent (son poids \(\displaystyle{\overrightarrow{P}}\) et la réaction normale \(\displaystyle{\overrightarrow{R_N}}\) ). Si sa vitesse initiale est nulle, elle restera donc au repos, immobile.
Si la même balle est lancée sur la table (elle a donc une vitesse initiale) et qu'elle n'est soumise qu'à son poids \(\displaystyle{\overrightarrow{P}}\) et la réaction de la table \(\displaystyle{\overrightarrow{R_N}}\) qui se compensent, son mouvement sera rectiligne et uniforme.
Il est courant, mais erroné, de croire que pour qu'un corps soit en mouvement, il doit s'exercer sur lui au moins une force.
Les première sondes que l'humanité a envoyées dans l'espace (Voyager, Pioneer, etc) sont maintenant très loin du Soleil et des planètes du système solaire et donc plus aucune force ne s'exerce sur elles. Bien qu'elles ne soient pas propulsées par un moteur, elles continuent à s'éloigner dans un mouvement rectiligne et uniforme.
On peut aussi utiliser la réciproque de cette propriété :
Si, dans le référentiel terrestre, un corps est au repos ou en mouvement rectiligne et uniforme, on peut affirmer qu'il est soumis soit à aucune force, soit à des forces qui se compensent.
Au cours de sa chute, un parachutiste connaît une phase au cours de laquelle son mouvement dans le référentiel terrestre est rectiligne et uniforme. On peut alors en déduire que son poids \(\displaystyle{\overrightarrow{P}}\) et la force de frottement \(\displaystyle{\overrightarrow{F}}\) exercée par l'air se compensent.
Les effets d'une force
L'équilibre
Dans le référentiel terrestre, un solide est en équilibre (ou au repos) s'il est soumis à des forces qui se compensent.
La mise en mouvement
Une force peut mettre en mouvement un corps initialement au repos (ou en équilibre) dans le référentiel terrestre.
La modification du mouvement d'un corps
Une force peut modifier le mouvement d'un corps préalablement en mouvement.
