Fiche de physique - chimie

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MODELISATION D'UNE ACTION PAR UNE FORCE

Cette fiche présente certaines notions essentielles pour étudier le mouvement des corps matériels :

les actions mécaniques ;
la notion de force ;
et la loi des actions réciproques (3^ème loi de Newton).

I. Rappel : notion de système physique

Définition

On appelle système physique, l'objet (ou l'ensemble des objets) que l'on souhaite étudier.

La description du système doit être suffisamment précise pour que l'on puisse déterminer :
* ses caractéristiques physiques (masse, centre de masse, dimensions, ...) ;
* ainsi que la limite entre l'intérieur et l'extérieur du système.

Remarques :
La notion de système est très générale en physique. Il peut s'agir par exemple d'un solide, d'une substance, d'une personne, d'une particule, d'un mécanisme, etc.
Il est important de bien définir le système avant d'en faire l'étude car cela détermine la liste des actions mécaniques qu'il subit.

II. Action mécanique

1. Définition

Définition

On parle d'action mécanique lorsqu'un système physique agit sur un autre système en modifiant son mouvement ou sa forme.
Le système qui agit sur l'autre est appelé l'acteur.
Le système qui subit l'action est appelé le receveur.

2. Effets d'une action mécanique

Les effets d'une action mécanique (sur le receveur) peuvent être :
une modification de la trajectoire ;
une accélération ;
un ralentissement (voire un arrêt) ;
une déformation (voire une rupture) ;
un équilibre.

Exemples :
un footballeur shootant dans un ballon exerce une action mécanique sur le ballon ;
le Soleil attire la Terre ; il exerce une action mécanique sur la Terre ;
lorsqu'une personne tire sur un élastique, elle exerce une action mécanique qui le déforme ;
si on tire trop fort sur un fil, il casse ;
la réaction du sol est une action mécanique qui nous permet de rester debout, en équilibre à la surface de la Terre.

3. Les différents types d'actions

a. Action de contact / action à distance

Définition

Une action de contact nécessite un contact physique entre les deux systèmes qui interagissent.
Une action à distance s'exerce sans contact entre les deux systèmes qui interagissent.

Exemples d'actions de contact :
la traction exercée sur une corde pour tirer un objet ;
la poussée de l'eau sur la coque d'un bateau ;
la réaction du sol.

Exemples d'actions à distance :
l'attraction gravitationnelle ;
l' action d'un aimant sur des objets en fer.

b. Action localisée / action répartie

Définition

Une action est localisée lorsqu'elle s'applique sur une zone pouvant être assimilée à un point.
Une action est répartie si elle s'applique sur une surface ou un volume trop important pour être assimilé à un seul point.

Exemples d'actions localisées :
l'action exercée par un fil ou une corde sur un point d'attache ;
la réaction du sol sur une roue.

Exemples d'actions réparties :
le poids ;
les actions de contact (si la surface de contact est importante) : la réaction du sol sur des skis ou encore la poussée de l'eau sur un barrage.

III. Les forces

1. Mouvement d'un corps

Si on observe une modification du mouvement d'un corps (c'est-à-dire une variation du vecteur vitesse), cela signifie qu'il est soumis à au moins une action mécanique. L'effet d'une action mécanique sur un système dépend de la masse de ce système : plus la masse est importante et plus l'effet est faible ; il est ainsi plus difficile de pousser un caddie plein qu'un caddie vide.

2. Modélisation d'une action par une force

Une action mécanique peut être modélisée par une grandeur physique appelée force et que l'on représente par un vecteur.

Caractérisation d'une force par un vecteur

ORIGINE : le point d'application de la force ;
DIRECTION : la droite d'action de la force ;
SENS : sens dans lequel s'exerce l'action ;
VALEUR : intensité de la force, exprimée en Newton (N).

Point d'application des forces :
* action à distance fleche2

centre de gravité du système ;
* action de contact fleche2

centre de la surface de contact entre les deux systèmes.

Exemple :

Considérons le système constitué par un livre posé sur une table :

Modélisation d'une action par une force : image 5

Les actions mécaniques que subit le livre sont décrites à l'aide des forces suivantes :
le poids $\vec{P}$ (action de la terre sur le livre) ;
la réaction du support $\vec{R}$ (action de la table sur le livre).

On appelle cette liste de forces, le bilan des forces exercées sur le système.

Chacune des forces peut être ensuite caractérisées de la façon suivante :
Vecteur $\overrightarrow{R}$ : réaction de la table (action de contact)
     * point d'application : centre de la zone de contact entre la table et le livre ;
     * direction : verticale ;
     * sens : vers le haut ;
     * valeur : notée R (et inconnue à ce stade de l'étude).

Vecteur $\overrightarrow{P}$ : poids du livre (action à distance)
     * point d'application : centre de gravité du livre ;
     * direction : verticale ;
     * sens : toujours vers le bas ;
     * valeur : $P = m \times g$ , $m$ étant la masse du livre et $g$ l'intensité de la pesanteur à l'endroit où se trouve le livre.

Remarque: dès qu'il y a contact entre deux solides, il y a une force de contact appelée réaction. C'est la force qui empêche les solides de s'interpénétrer. Ainsi, la réaction de la table empêche ici le livre de chuter vers le centre de la Terre. Il en va de même lorsque nous sommes debout ou couchés : la réaction du sol nous empêche de chuter.

IV. Principe des actions réciproques (ou troisième loi de Newton)

* Quand un système A agit sur un système B, ce dernier agit aussi simultanément sur A : on dit que les systèmes A et B sont en interaction, ou encore que les systèmes interagissent.

* La troisième loi de Newton (appelée aussi principe des actions réciproques ou anciennement principe de l'action et de la réaction) précise la relation entre la force exercée par A sur B et celle exercée par B sur A.

Principe des actions réciproques

Lorsqu'un système A exerce une force sur un système B, notée $\vec{F_{A/B}}$ , alors le système B exerce simultanément sur le système A une force $\vec{F_{B/A}}$ qui est :
de même intensité,
de même direction,
mais de sens opposé.

On a donc la relation :
$\boxed{\vec{F_{A/B}} = - \vec{F_{B/A}}}$
Les deux forces ne s'appliquent pas au même système et n'ont donc pas forcément le même point d'application.

* La figure suivante illustre le principe des actions réciproques dans le cas d'un livre posé sur une table :
A gauche le système est le livre et la table exerce une réaction $\vec{R}$ dirigée vers le haut.
A droite le système est la table. Et c'est le livre qui exerce une réaction $- \vec{R}$ , opposée à celle exercée par la table sur le livre.

Modélisation d'une action par une force : image 4

* La figure suivante illustre le principe des actions réciproques dans le cas d'une interaction à distance entre deux corps A et B (par exemple l'interaction gravitationnelle entre deux astres) :

Modélisation d'une action par une force : image 3

* Considérons par exemple la Terre et un objet à sa surface :
la Terre exerce une force d' attraction sur l'objet (appelée le poids et qui s'applique au centre de gravité de l'objet)
et inversement, l'objet attire la Terre et la force ainsi exercée est l'opposé du poids appliqué au centre de la Terre.
Bien que les deux forces aient la même intensité, leur effet est totalement différent car la masse de l'objet est extrêmement faible comparée à la masse énorme de la Terre : si on lance l'objet en l'air, il va ainsi retomber au sol à cause de l'attraction exercée par la Terre alors que l'attraction que l'objet exerce sur la Terre n'a absolument aucun effet sur elle !

V. Quelques forces et leurs caractéristiques

1. Le poids

Définition

L'ensemble des actions dues à l'interaction gravitationnelle sur les particules constituant un système s'appelle le poids du système.

Caractéristiques :

Direction : verticale
Sens : vers le centre de la Terre
Point d'application : centre de gravité du système, noté G
Intensité : $P = m . g$

     $P$ : poids du système en Newton (N)
     $m$ : masse du système en kg
     $g$ : intensité de la pesanteur terrestre en N.kg^-1 avec $g = \text{G}.\dfrac{m_T}{R_T^2}$
     $m_T$ : la masse de la Terre (5,98.10²⁴ kg)
     $R_T$ : le rayon de la Terre (6,38.10⁶ m)
     $\text{G}$ : constante de gravitation universelle (6,6742.10^-11 Nm²kg^-2)

Remarque : pour plus d'information sur la force d'attraction gravitationnelle et le poids, se référer à la fiche suivante :
fiches

Exemple de force : la gravitation universelle

2. La réaction du support

Définition

La réaction du support modélise l'ensemble des actions microscopiques qui s'exercent entre un corps et le support sur lequel il est posé. Ces actions ont pour origine l'interaction électromagnétique.

S'il n'y a pas de frottement, la réaction du support est normale à la surface de contact et souvent notée $\vec{R_N}$ .

Exemples de réactions du support (en l'absence de frottement) :

1. Objet posé sur un support horizontal

Modélisation d'une action par une force : image 2

Caractéristiques :

Direction : verticale
Sens : vers le haut
Point d'application : A
Intensité : R=P (les forces se compensent)

2. Objet posé sur un support incliné

Modélisation d'une action par une force : image 6

Dans ce cas là, le solide n'est pas en équilibre, il glisse car il n'y a pas de frottement : les forces ne se compensent pas ( $\overrightarrow{P}+\overrightarrow{R}\neq 0$ ).

3. La tension du fil

Définition

Un fil tendu exerce une action sur chacun de ses points d'attache. Cette action est appelée tension du fil au point d'attache et modélisée par une force souvent notée $\overrightarrow{T}$ .

Modélisation d'une action par une force : image 1

Caractéristiques de la tension du fil :

Direction : celle du fil
Sens : vers l'extérieur du solide
Point d'application : Le point d'attache du fil

VI. Application : bilan des forces sur une luge

1. Enoncé

Considérons un enfant qui tire une luge sur la glace en hiver. Nous souhaitons étudier le système formé par la luge et faire le bilan des forces qui s'exercent sur elle. On négligera les frottements.

1. Définir le système étudié
2. Préciser le référentiel d'étude
3. Faire le bilan des forces exercées sur le système

2. Solution

Système étudié : la luge
Référentiel : terrestre
Bilan des forces appliquées :

Comme indiquée sur la figure suivante, la luge est soumise aux forces suivantes :

* le poids $\vec{P}$ en G, centre de gravité de la luge (action de la terre sur la luge) ;
* la réaction normale du sol $\vec{R}$ _N en A (car la luge est en contact avec la glace) ;
* la force $\vec{F}$ exercée (en B) par la corde qui relie l'enfant à la luge.

Modélisation d'une action par une force : image 7

Remarque: la luge n'interagit pas directement avec l'enfant, mais avec la ficelle qui lui est attachée en B.

Publié par gbm / relue par gbm le 17-06-2021

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II. Action mécanique

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2. Effets d'une action mécanique

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III. Les forces

1. Mouvement d'un corps

2. Modélisation d'une action par une force

IV. Principe des actions réciproques (ou troisième loi de Newton)

V. Quelques forces et leurs caractéristiques

1. Le poids

2. La réaction du support

3. La tension du fil

VI. Application : bilan des forces sur une luge

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