CHAPITRE 3 : LES FORCES

On s’intéresse, dans ce chapitre, à une nouvelle description des interactions qui peuvent exister entre des objets macroscopiques (composés d’au moins plusieurs milliers d’atomes, de molécules ou d’ions).

Les actions mécaniques observées à l’échelle macroscopique ont pour origine les interactions fondamentales qui s’exercent à l’échelle microscopique. Au niveau macroscopique, les deux types d’interaction sont l’interaction gravitationnelle et l’interaction électromagnétique.

I. RAPPELS SUR LES FORCES :

1.1. Notion de force :

Exemple : Raquette de tennis frappant dans une balle : le tamis de la raquette est déformé par l’action de la balle et la balle est déformée et projetée vers l’avant par l’action de la raquette ; ces deux actions se produisent simultanément. On parle d’action réciproques ou d’interaction. Chacune des deux actions peut être modélisée par une force.

Une force est une action exercée par un système sur un autre système entraînant sa déformation ou la modification de son mouvement.

1.2. Caractéristiques et représentation d’une force :

Toute action mécanique est appelée «force»; elle est représentée par un vecteur dont les caractéristiques sont :

- Point d’application :

- Direction :

- Sens :

- Valeur ou norme exprimée en Newton (N) qui se mesure avec un dynamomètre.

II. ETUDE DE QUELQUES FORCES :

2.1. Modélisation du poids d’un corps (vidéo):

Dans le référentiel terrestre, au voisinage de la Terre, le poids d’un corps modélise l’action exercée par la Terre sur ce corps. On parle de force de pesanteur plutôt que de force de gravitation.

Dans un espace de dimensions limitées, on considère que le vecteur poids d’un corps de masse m est constant.

Le vecteur poids est caractérisé par :

- son point d’application : le centre de gravité G du corps confondu avec le centre d’inertie,

- sa direction : verticale

- son sens : du centre d’inertie de l’objet vers celui de la Terre,

- sa valeur : P = mg P (N); m( kg); g : intensité de pesanteur g= 9,8 N.kg^-1

C’est une force qui s’exerce à distance. C’est la résultante des forces de pesanteur qui s’exercent sur tous les grains de matière dont est constitué le corps : c’est donc une force répartie en volume.

La valeur de g dépend de la latitude et de l’altitude. En France, au niveau de la mer : g = 9,81 N.kg^-1

2.2. Action d’un fluide sur un solide : La poussée d’Archimède (vidéo):

Mise en évidence :

- Une balle de ping-pong plongée dans l’eau remonte à la surface et flotte. L’eau exerce donc sur la balle une action de contact, qui s’oppose à celle de la Terre, et dont l’effet est prépondérant.

- Un ballon gonflé avec de l’hélium s’élève dans l’air. L’air exerce également sur le ballon une action prépondérante devant le poids du ballon.

La poussée d’Archimède est égale à la résultante de toutes les forces de pression qui s’exercent sur un corps plongé dans un fluide. C’est une action de contact répartie sur toute la surface du corps immergé.

Caractéristiques de la poussée d’Archimède :

La poussée d’Archimède a pour caractéristiques :

- point d’application : centre de gravité de l’objet,

- direction : verticale,

- sens : vers le haut,

- norme : égale au poids du volume du fluide déplacé par le corps immergé. P_A = r_fluide.V_déplacé.g

P_A en Newton (N) ; r est la masse volumique du fluide (kg.m^-3)  ; V est le volume de fluide déplacé (m³) et g est l’intensité de la pesanteur (N.kg^-1)

Remarques :

· Le volume de fluide déplacé est égal au volume de la partie immergée du solide.

· La poussée d’Archimède permet aux objets moins denses que l’eau de flotter.

Comparaison entre la poussée d’Archimède et le poids d’un corps :

Soit un solide S, complètement immergé dans un fluide :

P_A/P = r_fluide.V_déplacé.g / r_solide.V_solide.g = r_fluide /r_solide car V_déplacé.= V_solide

Si r_fluide <<<r_solide alors P_A <<<P c’est le cas quand le fluide est un gaz mais pas un liquide.

La poussée d’Archimède exercée par un gaz sur un solide « plein » peut-être négligée devant le poids du solide. Ce n’est pas le cas de la poussée d’Archimède exercée par un liquide sur un solide.

2.3. Tension d’un fil ou d’un câble (vidéo):

Soit un fil tendu qui exerce sur un solide une force de contact appelée tension du fil. C’est une force localisée.

La tension du fil, notée , est définie par :

- son point d’application : le point d’accrochage du fil,

- sa direction : celle du fil tendu,

- son sens : vers l’extérieur du solide,

- sa valeur : T exprimée en newton qui dépend du poids du solide, des autres forces exercées sur S et du mouvement de S.

2.4. Tension F d’un ressort :

Lorsqu’on suspend un objet à un ressort à spires non jointives, de masse négligeable et de longueur l₀ dite longueur à vide, ce dernier s’étire et exerce sur l’objet une force appelée tension du ressort.

La tension du ressort, notée , est définie par :

- son point d’application : le point d’accrochage du ressort,

- sa direction : celle de l’axe du ressort,

- son sens : opposé à la déformation du ressort

- sa valeur : F, exprimée en newton, est proportionnelle à la valeur absolue de la variation de longueur (en m) du ressort :

k est appelé constante de raideur du ressort et s’exprime en N.m^-1

2.5. Force de contact entre un solide et son support (vidéo):

· Modélisation de la réaction d’un support :

La force exercée par un support sur un solide est une force répartie sur la partie de la surface du solide qui est en contact avec le support. Elle est appelée réaction du support et notée ,

Cette force est due aux interactions, de nature électromagnétique, s’exerçant entre les particules des deux matériaux.

· Caractéristiques de la réaction d’un support  :

- Point d’application : point de contact entre le support et le solide,

- Direction : En l’absence de frottement, que le solide soit immobile ou en mouvement, la réaction du support reste perpendiculaire à la surface de contact.

Si le contact se fait avec des frottements, la réaction du support n’est pas perpendiculaire à la surface de contact. Elle peut être décomposée suivant :

* une composante normale : de direction perpendiculaire à la surface de contact.

* une composante tangentielle : contenue dans la surface de contact, parfois appelée force de frottement.

· On a alors

- Sens : du support vers le solide

- Valeur : elle dépend de la nature du support et de celle du solide Elle n’a pas d’expression simple.

III. LES EFFETS DES FORCES :

- Une force peut déformer un corps :

Exemple : force exercée sur un ressort

- Une force peut agir pour maintenir un corps en équilibre alors les forces se compensent

Exemple : Livre posé sur une table horizontale, force exercée par la main sur la poignée d’une valise.

- Une force peut mettre une corps en mouvement ou le modifier :

Exemple : force exercée par un club de golf sur une balle immobile, ballon déviée par un gardien de but.

- Une force peut mette un solide en rotation autour d’un axe fixe :

Exemple : mains d’un conducteur sur un volant, courant d’air sur une porte entrebaîllée.

Une force est sans effet sur la rotation si sa direction est parallèle à l’axe ou si sa droite d’action coupe l’axe.