Histoire

Le concept de force est ancien, mais il a mis longtemps à obtenir une définition utilisable. En effet, à la différence de grandeurs physiques telles que la longueur ou la masse, une force est une notion abstraite, qui ne peut être appréhendée par l'expérience directe, et qui représente déjà une modélisation du monde. Les forces ne se voient pas, elles ne sont même pas réelles , elles ne sont qu'une explication d'effets visibles.

 

Le concept de force est très utile pour « imaginer » le mouvement d'un objet. Quelle que soit la ou les causes du mouvement (freinage par frottement, accélération par moteur, portance sur une aile par les écoulement de l'air, attraction par la terre, attraction par un aimant etc.), tout se passe comme si on attachait à cet objet des petits élastiques tendus avec la même tension que la force qui s'applique sur l'objet.

Qui plus est, il est possible de combiner les forces s'appliquant sur un même point, mais provenant de différentes causes, en une seule force. Pour cela, il suffit de sommer les vecteurs force (cette opération revient à remplacer deux élastiques attachés à un même point, mais tirant peut-être dans des directions différentes, par un seul élastique produisant la même tension).

 

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Le vecteur force

Le vecteur force est caractérisé par 4 éléments :

 

Le parallélogramme des forces

Le théorème du parallélogramme des forces provient de la constatation du fait que des mouvements peuvent être combinés entre eux sans que l'ordre de cette combinaison ait une quelconque influence sur le mouvement final.

Dans le parallélogramme ci-contre, on peut distinguer deux types de mouvement :

Quand un solide est situé initialement au point A, l'ordre de parcours AB puis BC ou bien AD puis DC n'a aucune influence sur le résultat final : quel que soit l'ordre des mouvements, le solide est déplacé au point C.

Forts de cette constatation, lorsque le distinguo entre les forces (les causes) et les mouvements (les effets) fut fait, Simon Stevin puis Isaac Newton purent énoncer le théorème du parallélogramme des forces :

 

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Quelques exemples de forces

Les phénomènes qui provoquent l' accélération ou la déformation d'un corps sont très divers, on distingue donc plusieurs types de forces, mais qui sont tous modélisés par un même objet : le vecteur force. Par exemple, on peut classer les forces selon leur distance d'action :

Le poids

Lorsqu'un objet est placé près de la surface d'un astre, on appelle poids la force gravitationnelle exercée par cet astre sur l'objet. Le poids d'un corps s'exerce toujours verticalement et vers le bas (vers le centre de l'astre). Pour trouver le poids d'un objet, on introduit une constante, qu'on appelle accélération gravitationnelle ou pesanteur. Pour la TerreCette accélération gravitationnelle est l'accélération subie par tout corps en chute libre près de la surface de la Terre.

La force normale

La force normale est une force de réaction qui apparaît lorsqu'une force est appliquée sur une surface. On peut considérer cette force comme l'opposition de la matière à se faire traverser par l'objet soumit à une force vers le bas, son poids. La force normale est perpendiculaire à la surface en question (normale signifie d'ailleurs « à 90° ») et de même grandeur que la composante perpendiculaire à la surface de la force appliquée. Enfin, la force normale étant une force de réaction, elle agit en sens opposé à la composante perpendiculaire de la force appliquée.

Forces élastiques

Dans le cas le plus simple de la déformation élastique, l'allongement ou la compression modérée d'un ressort dans son axe engendre une force proportionnelle à l'allongement relatif.

Pressions

Lorsqu'une force s'exerce sur une surface, il est parfois intéressant de considérer la répartition de la force selon la surface. Par exemple, si l'on enfonce une punaise dans du bois , la punaise s'enfonce car la force est répartie sur une toute petite surface (l'extrémité de la pointe) ; si l'on appuie simplement avec le doigt, le doigt ne va pas s'enfoncer dans le bois car la force est répartie sur une grande surface (l'extrémité du doigt). Pour ce type d'études, on divise l'intensité de la force par la surface sur laquelle elle s'exerce, c'est la pression . Au sein d'un matériau solide, cette pression est appelée contrainte ( stress ).

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Divers postes d'observation

Une valise déposée sur la banquette d'un wagon se meut en même temps que le train. Une maison parfaitement immobile sur la Terre se déplace pourtant avec cette dernière. Et oui, on peut dire d'un même corps qu'il se déplace de façon rectiligne, qu'il est en repos, qu'il tourne, et toutes ces affirmations seront justes quoique pour des observateurs différents.

Le tableau du mouvement et jusqu'à ses propriétés peuvent changer si l'observateur change de poste.

Rappelez-vous ce qui se passe sur un navire soumis à un fort roulis. Tous les objets sont pris de folie. Le cendrier tombe de la table et roule sous le lit. L'eau danse dans la carafe, et la lampe oscille comme un pendule. Sans raison apparente certains objets se mettent en mouvement, tandis que d'autres s'arrêtent. Un observateur voyageant à bord de ce bateau pourrait dire que la loi fondamentale du mouvement consiste en ce qu'à tout instant un objet non fixé peut commencer à se déplacer dans une direction quelconque avec une vitesse quelconque. Cet exemple montre que parmi les postes d'observation, il en est de manifestement mauvais. Quel sera donc le poste convenant le mieux ? Si votre lampe de table s'était soudainement inclinée, ou si votre presse-papier faisait un saut de carpe, votre premier mouvement serait de penser à une hallucination. Mais si ce prodige se répétait, vous n'auriez de cesser de découvrir la cause de ce phénomène.

On considérera donc tout naturellement que le poste d'observation rationnelle est celui pour lequel les corps au repos ne se déplacent pas sans l'intervention d'une force.

Quoi de plus normal : si un corps est en repos, la somme des forces qui le sollicitent est nulle. S'il s'est déplacé, c'est qu'une force est intervenue.

 

lien vers une animation : relativité du mouvement

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