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. Ils sont 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.
En plus de sa grandeur et de sa direction, une force est déterminée par le point d'application ou elle agit sur un corps.
Si la somme de toutes les forces sur un corps est nulle, alors le centre de masse n'est pas accéléré. Le corps peut se déformer sous l'influence de ces forces. Par exemple, le corps peut s'étirer en raison de deux forces opposées.
Unités de mesure
La force est mesurée dans différentes unités de mesure, le newton (N) étant l'unité principale 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 au carré à un objet de masse 1 kilogramme.
En plus du newton, il existe d'autres unités de mesure de la force qui sont utilisées dans différents contextes, dont certaines incluent :
Livre-force (lbf) : unité de force couramment utilisée aux États-Unis et dans les pays qui suivent le système d'unités impériales. Il est défini comme la force nécessaire pour accélérer une masse d'une livre à 32,174 pieds par seconde au carré.
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). Une dyne est la force nécessaire pour accélérer un gramme à un centimètre par seconde au carré.
Lois de Newton : relation entre force, masse et accélération
Les lois de Newton sont trois lois fondamentales de la mécanique classique qui décrivent les forces exposant le mouvement des objets. Grâce aux lois de Newton, les concepts de force, de masse et d'accélération sont liés.
Première loi de Newton ( loi d'inertie) : cette loi stipule qu'un objet au repos a tendance à rester au repos et qu'un objet en mouvement a tendance à se maintenir sont un mouvement rectiligne uniforme, au moins qu'une force extérieure n'agisse sur lui. En d'autres termes, un objet ne changera pas son état de mouvement à moins qu'une force nette n'agisse sur lui.
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.
Troisième loi de Newton (loi de l'action et de la réaction) : cette loi stipule que pour chaque action, il y a une réaction d'amplitude égale mais de sens opposé. Autrement dit, lorsque l'objet A exerce une force sur l'objet B, l'objet B exerce une force d'amplitude égale mais dans la direction opposée sur l'objet A.
Types de forces
Il existe de nombreux types de forces dans le physique. Voici quelques-uns des principaux types considérés en physique:
Force gravitationnelle : C'est la force d'attraction mutuelle qui existe entre deux objets ayant une masse. La force de gravité est responsable de la chute d'objets vers la Terre et de l'orbite des planètes autour du Soleil.
Force électromagnétique : C'est la force qui s'agite entre les particules chargées électriquement. Cette force est responsable de l'interaction entre les électrons et les protons dans les atomes, ainsi que des phénomènes électromagnétiques que sont le magnétisme et l'électricité.
Force nucléaire forte : C'est une force extrêmement puissante qui agite l'intérieur du noyau en forme d'atome. Cette force est chargée de maintenir l'ensemble protons et neutrons dans le noyau, s'opposant à la force électromagnétique répulsive entre les protons chargés positivement.
Force nucléaire faible : C'est une force responsable de certains types de désintégration radioactive. Il est associé aux interactions entre les particules subatomiques et est impliqué dans les processus de désintégration bêta.
Force de frottement : C'est celle qui s'oppose au mouvement relatif de deux surfaces en contact. Le frottement peut être statique (quand les objets ne bougent pas), cinétique (quand les objets bougent) ou fluide (quand un objet se déplace dans un fluide, comme 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.
Force de tension : c'est une force interne qui agit à l'intérieur d'un objet lorsqu'il est soumis à une étirement ou à une traction. Cette force se propage le long de l'objet, maintenant son intégrité structurelle et résistant au changement de forme dû aux forces externes qui l'étirent.
Rapport au travail
L'application d'une force peut impliquer l'obtention 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) se calcule en multipliant l'amplitude de la force (F) par la distance parcourue dans la direction de la force (d), puis en multipliant par le cosinus de l'angle (θ) entre la force et le direction de la force déplacement. Cela s'exprime en tailleur :
W = F * d * cos(θ)
Le travail peut être positif, négatif ou nul, selon la relation entre la force et le déplacement.
Diagrammes de corps gratuits
Les 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 diagramme 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 du physique, comme la mécanique, pour analyser le mouvement des objets, l'équilibre des systèmes et la résolution des problèmes de force.
