Les forces modélisent les actions mécaniques. Celles-ci peuvent modifier le mouvement du corps sur lequel elles s'exercent ou le déformer. Les forces que l'on rencontre le plus souvent sont le poids, la réaction normale du support, la force de frottement et la tension d'un fil.
La notion de forces
Les actions mécaniques causent des modifications du mouvement ou des déformations. Elles sont modélisées par des vecteurs, appelés « forces », qui ont un point d'application, une direction, un sens et une valeur.
Les actions mécaniques
Les actions mécaniques sont utilisées pour décrire tout phénomène provoquant une modification du mouvement ou une déformation d'un corps. Elles sont toujours exercées par un acteur sur un receveur. On distingue les actions de contact et les actions à distance.
Action mécanique
Une action mécanique est un concept utilisé pour décrire tout phénomène provoquant une modification du mouvement d'un corps ou une déformation.
Lorsqu'un footballeur (acteur) frappe le ballon (receveur), une action mécanique est exercée par le pied du joueur sur le ballon.
Une action mécanique est toujours exercée par un objet (l'acteur) sur un autre objet (le receveur).
Dans l'exemple précédent, le footballeur est l'acteur et le ballon le receveur.
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 s'exercent même si l'acteur et le receveur ne sont pas en contact.
- L'action qu'exerce un footballeur sur un ballon est une action de contact.
- La Terre attire à tout moment le ballon vers son centre, c'est une action à distance.
Les forces
Les forces modélisent les actions mécaniques exercées par un corps sur un autre. Les forces sont représentées par des vecteurs et un point d'application.
Force
Une force est un vecteur avec un point d'application. Elle modélise une action mécanique.
Les caractéristiques d'une force sont :
- son point d'application (le point à partir duquel elle s'exerce) ;
- sa direction ;
- son sens ;
- sa norme, intensité ou valeur exprimée en newtons (N).
Elle est représentée par un vecteur, appelé « vecteur force », généralement noté \overrightarrow{F} .
La force exercée par le footballeur sur le ballon est représentée par un vecteur, noté \overrightarrow{F} :
Pour représenter un vecteur force sur un schéma, il faut définir une échelle mettant en relation la valeur en newtons (N) et sa longueur en centimètres (cm).
Si la valeur de la force \overrightarrow{F} exercée par le footballeur est F= 12 \text{ N} et que l'échelle choisie pour représenter les forces est 1{,}0 \text{ cm}\Leftrightarrow 4{,}0 \text{ N} , alors la longueur du vecteur représentant cette force est \dfrac{12}{4{,}0}= 3{,}0 \text{ cm} .
Il ne faut pas confondre le vecteur force (\overrightarrow{F}, par exemple) et sa valeur ( F) qui n'est qu'une de ses caractéristiques.
Dans l'exemple précédent, la valeur de la force \overrightarrow{F} est F = 12 \text{ N} et la longueur du vecteur la représentant est de 3,0 cm.
Il ne faut surtout pas écrire \overrightarrow{F} = 12\text{ N} ou F=3{,}0 \text{ cm} .
Des exemples de forces
Les forces les plus courantes sont le poids, la réaction normale du support, la force de frottement et la tension d'un fil. Elles ont chacune des caractéristiques différentes.
Le poids
Du fait de sa pesanteur, la Terre attire les objets situés dans son voisinage. Le poids est la force qui modélise cette attraction.
Poids d'un corps
Le poids d'un corps est l'attraction qu'exerce la Terre sur lui. Il est modélisé par le vecteur force \overrightarrow{P} .
Le poids d'un corps est une force qui s'exerce à distance. Ses caractéristiques sont :
- son point d'application : le centre de gravité du corps ;
- sa direction : verticale ;
- son sens : vers le bas ;
- sa valeur : P_{\left(\text{N}\right)} = m_{\left(\text{kg}\right)}\times g_{\left(\text{N.kg}^{-1}\right)} , m étant la masse du corps en kg et g=9{,}81 \text{ N/kg} l'intensité de pesanteur sur Terre (en moyenne).
Une balle de masse 61,2 g retombe sur la surface terrestre du fait de la pesanteur. Les caractéristiques de son poids sont :
- son point d'application : le centre de gravité du corps ;
- sa direction : verticale ;
- son sens : vers le bas ;
- sa valeur : P = m \times g = 61{,}2.10^{-3} \times 9{,}81 = 0{,}60 \text{ N} .
La masse et le poids d'un corps sont deux notions différentes, deux grandeurs distinctes. Il est courant d'utiliser le verbe « peser » pour indiquer une valeur de masse alors que celui-ci signifie « mesurer le poids ».
On ne devrait pas dire « Cet objet pèse 1 kg », mais « La masse de cet objet est de 1 kg ».
Le poids et la gravité sont deux notions différentes. Le poids est la somme de la force gravitationnelle exercée par la Terre et des forces dues au mouvement de la Terre (force centrifuge, force de Coriolis).
Lorsqu'un objet est dans le voisinage de la Terre, il est soumis à son poids mais s'il est dans l'espace, il subit uniquement la force gravitationnelle exercée par la Terre et/ou les autres astres.
La réaction normale du support
Un corps posé sur un support est retenu par celui-ci. La réaction normale du support modélise cette action mécanique.
Réaction normale du support
La réaction normale du support est l'action qu'exerce un support sur un corps placé dessus. Elle est modélisée par le vecteur force \overrightarrow{R_{N}} .
La réaction normale du support est une force de contact. Ses caractéristiques sont :
- son point d'application : le centre de la surface de contact entre le support et le corps ;
- sa direction : perpendiculaire au support ;
- son sens : vers le haut ;
- sa valeur : R_N .
La force de frottement
Dans certains cas, le milieu extérieur exerce des frottements sur un corps en mouvement. La force de frottement modélise cette action mécanique.
Force de frottement
La force de frottement est la force qui s'oppose au mouvement relatif de deux corps en contact. Elle est modélisée par le vecteur force \overrightarrow{f}.
La force de frottement est une force de contact. Ses caractéristiques sont :
- son point d'application : le centre de la surface de contact entre les deux corps ;
- sa direction : parallèle au mouvement relatif des deux corps ;
- son sens : opposé au mouvement relatif des deux corps.
La tension d'un fil
Un corps relié à un fil tendu est tiré ou retenu par celui-ci. La tension modélise cette action mécanique.
Tension d'un fil
La tension d'un fil est la force qu'exerce un fil tendu sur un corps accroché à l'une de ses extrémités. Elle est modélisée par le vecteur force \overrightarrow{T} .
La tension d'un fil est une force de contact. Ses caractéristiques sont :
- son point d'application : le point d'accroche entre le fil et le corps ;
- sa direction : celle du fil tendu ;
- son sens : du point d'accroche vers le fil ;
- sa valeur : T.
Les effets d'une force
Une force qui s'exerce sur un corps peut modifier son mouvement ou le déformer. L'effet de la force est d'autant plus important que la masse du corps est faible.
Une force qui s'exerce sur un corps peut :
- le maintenir à l'équilibre ;
- le mettre en mouvement ;
- modifier la valeur de sa vitesse ;
- modifier la direction de sa vitesse, et donc sa trajectoire ;
- le déformer.
En exerçant une force sur le ballon, un footballeur peut mettre le ballon initialement immobile en mouvement (lors d'un coup franc), modifier sa vitesse (en dribblant) ou encore sa trajectoire (lors d'un coup de tête). Si le ballon n'est pas assez gonflé, un coup de pied peut le déformer.
Les effets d'une force sont d'autant plus importants que la masse du corps est petite.
Soumis à des forces de valeurs égales, un ballon de masse plus faible acquiert une vitesse plus importante.