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Physique

Force en physique : qu'est-ce que c'est, définition, concept et types

Force en physique : qu'est-ce que c'est, définition, concept et types

En physique, une force est une grandeur vectorielle qui exprime une action imprimée sur un objet en mouvement ou au repos. Cette action implique un changement de vitesse, de direction ou de forme. Son nom vient du latin fortia.

Selon la définition de la force, elle agit sur un objet capable de modifier son accélération, c'est-à-dire de faire varier sa vitesse et sa trajectoire. Une force peut également provoquer la déformation d'un objet et un changement de pression.

Outre son ampleur et sa direction, une force est déterminée par le point d'application où elle agit sur un corps.

Si la somme de toutes les forces exercées sur un corps est nulle, alors le centre de masse ne subit aucune accélération. Le corps peut se déformer sous l'influence de ces forces. Par exemple, le corps peut s'étirer sous l'effet de deux forces opposées.

Unités de mesure

La force est mesurée dans différentes unités de mesure, le newton (N) étant la principale unité utilisée dans le Système international d'unités (SI). Le newton est défini comme la force nécessaire pour fournir une accélération de 1 mètre par seconde carrée à un objet de masse 1 kilogramme.

En plus du newton, il existe d'autres unités de mesure de force qui sont utilisées dans différents contextes, dont certaines incluent :

  • Livre-force (lbf) : C'est une unité de force couramment utilisée aux États-Unis et dans les pays qui suivent le système d'unités impériales. Elle est définie comme la force nécessaire pour accélérer une masse d'une livre à 32 174 pieds par seconde carrée.
  • Kilogramme-force (kgf) ou kilopond (kp) : C'est une unité utilisée dans certains pays, notamment en Asie. Elle est définie comme la force exercée par la gravité sur un objet d'une masse d'un kilogramme.
  • Dyne (dyn) : C'est une unité de force dans le système CGS (centimètre-gramme-seconde). Un dyne est la force nécessaire pour accélérer un gramme à un centimètre par seconde carré.

Lois de Newton : la relation entre force, masse et accélération

Les lois de Newton sont trois lois fondamentales de la mécanique classique qui décrivent comment les forces affectent le mouvement des objets.

Force en physique : qu'est-ce que c'est, définition, concept et typesGrâce aux lois de Newton, les concepts de force, de masse et d'accélération sont liés.

  1. Première loi de Newton (loi de l'inertie) : Cette loi stipule qu'un objet au repos a tendance à rester au repos et qu'un objet en mouvement a tendance à maintenir son mouvement rectiligne uniforme, à moins qu'il ne soit soumis à une force extérieure. En d'autres termes, un objet ne changera pas d'état de mouvement à moins qu'une force nette n'agisse sur lui.

  2. Deuxième loi de Newton (loi de la force et de l'accélération) : Cette loi stipule que l'accélération d'un objet est directement proportionnelle à la force nette agissant sur lui et inversement proportionnelle à sa masse.

  3. Troisième loi de Newton (Loi d'action et de réaction) : Cette loi stipule que pour chaque action, il y a une réaction d'égale ampleur mais dans la direction opposée. Autrement dit, lorsque l'objet A exerce une force sur l'objet B, l'objet B exerce une force de même ampleur mais dans la direction opposée sur l'objet A. 

Types de forces

Force en physique : qu'est-ce que c'est, définition, concept et typesIl existe plusieurs types de forces en physique. Voici quelques-uns des principaux types considérés en physique :

  • Force gravitationnelle : C'est la force d'attraction mutuelle qui existe entre deux objets de masse. La force de gravité est responsable de la chute des objets vers la Terre et de l'orbite des planètes autour du Soleil.
  • Force centripète : C'est la force qui agit sur un objet en mouvement circulaire, le dirigeant vers le centre de la trajectoire. Sa présence est essentielle pour maintenir les objets en mouvement circulaire constant.
  • Force électromagnétique : C'est la force qui agit entre les particules chargées électriquement. Cette force est responsable de l'interaction entre les électrons et les protons des atomes, ainsi que des phénomènes électromagnétiques tels que le magnétisme et l'électricité.
  • Force nucléaire forte : C'est une force extrêmement puissante qui agit au sein du noyau atomique. Cette force est responsable du maintien des protons et des neutrons ensemble dans le noyau, neutralisant ainsi la force électromagnétique de répulsion entre les protons chargés positivement.
  • Force nucléaire faible : C'est une force responsable de certains types de désintégrations radioactives. Il est associé aux interactions entre particules subatomiques et est impliqué dans des processus tels que la désintégration bêta.
  • Force de frottement : C'est la force qui s'oppose au mouvement relatif de deux surfaces en contact. La friction peut être statique (lorsque les objets ne bougent pas), cinétique (lorsque les objets sont en mouvement) ou fluide (lorsqu'un objet se déplace dans un fluide, tel que l'air ou l'eau).
  • Force élastique : se produit lorsqu'un objet élastique, tel qu'un ressort, est étiré ou comprimé. Cette force est proportionnelle à la déformation et est dirigée dans le sens opposé au déplacement et est définie selon la loi de Hooke.
  • Force de traction : C'est une force interne qui agit à l'intérieur d'un objet lorsqu'il est étiré ou tiré. Cette force se propage dans tout l'objet, maintenant son intégrité structurelle et résistant au changement de forme dû aux forces externes qui l'étirent.

Relation avec le travail

L'application d'une force peut impliquer la réalisation d'un travail : le travail est défini comme le transfert d'énergie provoqué par l'application d'une force sur une distance.

Mathématiquement, le travail (W) est calculé en multipliant l'amplitude de la force (F) par la distance parcourue dans la direction de la force (d), puis en la multipliant par le cosinus de l'angle (θ) entre la force et le direction de la force. Ceci s'exprime ainsi :

W = F * d * cos(θ)

Le travail peut être positif, négatif ou nul, selon la relation entre force et déplacement.

Diagrammes corporels gratuits

Force en physique : qu'est-ce que c'est, définition, concept et typesLes diagrammes de corps libres sont des outils utilisés en physique pour analyser et visualiser les forces agissant sur un objet particulier. Ces diagrammes représentent un objet isolé, montrant toutes les forces agissant sur lui et leur direction relative.

Ce schéma permet de visualiser clairement les forces et d'analyser leur influence sur le mouvement ou l'équilibre de l'objet. De plus, ils sont utiles dans diverses branches de la physique, comme la mécanique, pour analyser le mouvement des objets, l'équilibre des systèmes et la résolution de problèmes de force.

Auteur :

Date de publication : 29 novembre 2021
Dernier examen : 6 juillet 2023