Imaginez que vous êtes assis tranquillement sur une chaise ou debout sur le sol. Même si vous n'y pensez pas, une force est produite pour que vous ne tombiez pas ou ne traversiez pas le sol ou une chaise.
Vous êtes-vous déjà demandé pourquoi, lorsque vous laissez un objet sur une table, il ne la traverse pas et ne tombe pas au sol ? C'est là qu'une force « spéciale » entre en jeu dans notre quotidien : la force normale .
En physique, c’est l’une des forces les plus courantes et essentielles, mais elle passe souvent inaperçue. Son nom n’est pas très accrocheur, mais sans lui, nos expériences quotidiennes seraient très différentes.
Ci-dessous, j'expliquerai ce qu'est exactement cette force, comment elle fonctionne et pourquoi il est si important que les choses, y compris nous, restent en place.
Qu'est-ce que la force normale ?
Définition
La force normale est la force de contact qu'une surface exerce sur un objet lorsqu'elle repose dessus. Cette force est générée en réaction à d’autres forces agissant sur l’objet, comme son poids dû à la gravité, et est responsable du fait que l’objet ne traverse pas la surface ou ne s’y enfonce pas.
En bref, cette force est la réponse de la surface qui contrecarre les forces appliquées à l'objet, le maintenant en équilibre.
Explication graphique
Imaginez que vous êtes debout par terre ou assis sur une chaise. Dans les deux cas, vous reposez sur une surface, non ?
Eh bien, cette surface fait quelque chose que nous ne remarquons pas à l’œil nu : elle nous pousse vers le haut pour nous maintenir en équilibre. Cette poussée vers le haut est ce que nous appelons la force normale .
C'est une force qui agit perpendiculairement (à angle droit) à la surface sur laquelle repose un objet. Cette force est comme la réponse de la surface au poids de l’objet qui la recouvre. Et la même chose se produit si nous laissons un livre sur une table ou si nous posons la main sur un mur.
Unités
La force normale , comme toute autre force, se mesure en Newton (N).
Un Newton est l'unité de mesure standard de la force dans le Système international d'unités (SI) et est défini comme la force nécessaire pour accélérer une masse de 1 kilogramme jusqu'à une vitesse de 1 mètre par seconde carrée.
Un exemple simple
Je vais vous donner un exemple qui vous semblera familier : imaginez que vous êtes dans un parc, que vous êtes assis sur un banc et que vous remarquez comment le banc vous soutient sans que vous tombiez au sol. Ce qui se passe?
Le banc exerce une force vers le haut, qui est la force normale , pour contrecarrer la force vers le bas que la gravité exerce sur vous, c'est-à-dire votre poids.
Ainsi, lorsque vous êtes assis, deux forces principales sont en jeu :
- Votre poids , qui est la force que la gravité exerce vers le bas.
- La force normale , qui est la réponse du banc en poussant vers le haut.
Ces deux forces se compensent et c'est pourquoi vous ne tombez pas au sol et ne traversez pas le banc. Donc fondamentalement, la force normale est chargée de nous empêcher de sombrer dans les choses !
Pourquoi est-ce appelé « normal » ?
Le mot « normal » dans ce cas n'a rien à voir avec ce que l'on utilise au quotidien (comme quand on dit « c'est normal » ou « c'est bizarre »). Ici, « normal » signifie perpendiculaire .
C'est un terme mathématique que nous utilisons en physique pour désigner une direction spécifique qui forme un angle de 90 degrés avec une surface.
Ainsi, lorsque nous parlons de « force normale », nous parlons d’une force qui pointe toujours dans cette direction, vers l’extérieur et perpendiculairement à la surface .
Comment ça marche exactement ?
Maintenant que nous comprenons les bases, approfondissons un peu le fonctionnement de la force normale. Cette force n'a pas de valeur fixe . Ce n'est pas que je pousse toujours avec la même intensité. Sa valeur dépend de plusieurs facteurs, et l'un des plus importants est le poids de l'objet .
Imaginez que vous laissez tomber un livre sur une table. La force que le livre exerce sur la table est le poids du livre, qui est la force de gravité qui le tire vers le bas. En réponse, la table exerce une force vers le haut, égale en ampleur au poids.
Si le livre pèse 2 kilogrammes, la table poussera avec une force vers le haut égale au poids du livre. Mais si vous ajoutez plus de livres sur le dessus, la force exercée par la table (normale) devra augmenter pour continuer à supporter le poids supplémentaire.
Il faut tenir compte du fait que s'il existe d'autres forces en plus du poids, celles-ci interviennent également dans la force normale. Par exemple, si nous poussons le livre vers le bas avec notre main, la force normale sera la somme du poids plus la force que nous exerçons vers le bas.
Calcul de la force normale avec des formules
On distingue deux cas particuliers : lorsque l'objet se trouve sur une surface horizontale et lorsqu'il se trouve sur un plan incliné.
Calcul sur une surface horizontale
La formule de base pour calculer la force normale, dans les situations où l'objet se trouve sur une surface horizontale sans inclinaisons ni forces supplémentaires, est assez simple :
Fn = m⋅g
Où:
- m est la masse de l'objet en kilogrammes (kg).
- g est l'accélération due à la gravité, qui sur Terre est d'environ 9,8 m/s 2 .
Par exemple, si vous avez un objet qui pèse 10 kg, son poids serait :
Poids=10 kg⋅9,8 m/s 2 =98N
Et la force normale serait également de 98 Newtons (N), car la surface doit exercer une force égale et opposée pour maintenir l'objet en équilibre.
Calcul sur plan incliné
Voyons maintenant comment il est calculé lorsqu'un objet se trouve sur un plan incliné . C'est un peu plus compliqué que sur une surface plane, car toute la force du poids de l'objet n'agit pas directement contre la surface, car une partie de cette force « glisse » le long de la pente.
Lorsque vous placez un objet sur une surface inclinée (comme une rampe ou une colline), son poids agit toujours vers le bas en raison de la gravité, mais il se décompose en deux éléments :
- Une composante parallèle à la surface inclinée : C'est la partie du poids qui « pousse » l'objet vers le bas le long de la pente, et c'est pourquoi les objets peuvent glisser sur une rampe.
- Une composante perpendiculaire à la surface inclinée : c'est la partie du poids qui « appuie » directement contre la rampe, et c'est ce qui génère la force normale .
Voyons comment cela est calculé dans ce cas.
Décomposition du poids sur un plan incliné
Pour calculer la force normale sur un plan incliné, la première chose à faire est de décomposer la force de gravité en ces deux parties que j'ai mentionnées précédemment : une parallèle et une perpendiculaire.
Si l'angle d'inclinaison de la rampe est θ (l'angle entre la surface inclinée et le sol plat), on peut utiliser la trigonométrie pour calculer chacune de ces composantes.
Le poids total de l'objet est de :
Poids=m⋅g
Où m est la masse de l'objet et g est l'accélération due à la gravité (environ 9,8 m/s 2 ).
- Composante perpendiculaire (qui est celle qui génère la force normale) :
C'est la partie qui nous intéresse, car c'est celle qui « repose » sur la rampe et qui est liée à la force normale. La formule pour calculer cette composante est :
F⊥=m⋅g⋅cos(θ)
Ici, cos(θ) est le cosinus de l'angle d'inclinaison. - Composante parallèle (qui fait tendre l'objet à glisser) :
Elle n'affecte pas directement la force normale, mais elle est utile à connaître pour comprendre le mouvement de l'objet sur la rampe. Il se calcule ainsi :
F∥=m⋅g⋅sin(θ)
Calcul de la force normale
Une fois que nous avons décomposé le poids en ces deux parties, nous pouvons maintenant calculer la force normale (F n ) . La Fn sur un plan incliné sera égale à la composante perpendiculaire de la force de gravité, puisque c'est elle que doit contrecarrer la surface de la rampe.
La force normale est donc :
F n = m⋅g⋅cos(θ)
Exemple pratique
Imaginez que vous ayez un bloc de 5 kg placé sur une rampe inclinée à 30 degrés par rapport au sol. Nous voulons calculer la force normale que la rampe exerce sur le bloc.
Tout d’abord, on calcule le poids du bloc :
Poids=5 kg⋅9,8 m/s2=49 N
Nous utilisons maintenant la formule, avec un angle d'inclinaison de 30 degrés :
Fnormal=49 N⋅cos(30∘)
Le cosinus de 30 degrés est d'environ 0,866, donc :
Fnormal=49 N⋅0,866=42,4 N
La force normale qu’exerce la rampe sur le bloc est donc de 42,4 Newtons .
Pourquoi est-il plus petit que sur une surface plane ?
Notez que la force normale sur une rampe inclinée est inférieure à celle si le même bloc était sur une surface plane. Si le bloc était sur une surface horizontale (où l'angle θ est de 0 degré), le cosinus de 0 est 1, donc la force normale serait égale au poids total, soit 49 N.
Dans le cas de la rampe, puisque l'angle d'inclinaison est de 30 degrés, seule une partie du poids est "supportée" sur la rampe, et c'est pourquoi la force normale est plus faible, 42,4 N au lieu des 49 N que l'on aurait. avoir.
L’autre composante de la force est celle qui provoquerait une accélération du corps vers le bas à moins qu’il n’y ait une force de friction dans la direction opposée qui la compense.
Cela explique également pourquoi il est plus facile pour un objet de glisser sur une pente raide : comme la force normale est plus petite, il y a moins de frottement et la partie du poids agissant vers le bas de la pente (la composante parallèle) aide l'objet à glisser. se déplacer.
Situations particulières
Jusqu’à présent, nous avons parlé d’exemples très simples, mais cette force peut aussi se comporter de manière intéressante dans des situations plus complexes.
Ci-dessous, je présente quelques exemples spéciaux qui vous aideront à mieux comprendre ce concept :
1. Boucles d'oreilles
Imaginez que vous descendez une colline en pente. Avez-vous remarqué qu'il est plus facile de glisser sur une pente ? Cela a à voir avec la force normale.
Lorsqu'un objet se trouve sur une surface inclinée, la force normale n'est pas aussi grande que lorsque la surface est plate, car l'inclinaison fait agir une partie de la force gravitationnelle en « poussant » vers le bas de la pente.
Sur une colline, la force normale ne doit pas compenser tout le poids de l'objet, mais seulement une partie. Et comme il est plus petit, il y a moins de résistance et il est plus facile pour vous de glisser.
2. Se pousser contre un mur
Imaginez maintenant que vous poussez une boîte contre un mur.
Dans ce cas, la force normale n’est pas liée au poids de la boîte, mais à la pression que vous exercez. Plus vous poussez fort la boîte contre le mur, plus la force que le mur exercera sur la boîte pour l'empêcher de passer à travers sera importante.
Si vous arrêtez de pousser, la force normale disparaît.
3. Force normale dans un ascenseur
Avez-vous déjà eu l'impression d'être plus lourd ou plus léger dans un ascenseur en mouvement ?
Cela a aussi à voir avec ce genre de force. Si l’ascenseur monte rapidement, la force normale augmente (et nous avons l’impression de peser plus), car le plancher de l’ascenseur doit pousser vers le haut avec plus de force pour compenser l’accélération.
Si l'ascenseur accélère vers le bas, la force normale diminue (et nous avons l'impression de peser moins), car l'accélération réduit le besoin de pousser aussi fort.
Relation avec la troisième loi de Newton : action et réaction
La force normale est directement liée à la troisième loi de Newton , également connue sous le nom de loi d' action et de réaction .
Cette loi dit que pour chaque action, il y a une réaction d’égale ampleur et de sens opposé . Autrement dit, si un objet exerce une force sur un autre, cet autre objet répond avec une force égale mais dans la direction opposée.
Dans le cas d'une force normale, imaginez un patineur glissant sur une patinoire. Le poids du patineur, qui est la force d'action , pousse vers le bas en raison de la gravité.
En réaction, la glace exerce une force ascendante pour contrecarrer ce poids et empêcher qu’elle ne se brise et que le patineur ne la traverse. L'ampleur de cette force est égale au poids du patineur, mais elle agit dans la direction opposée, c'est-à-dire vers le haut.
Conclusion
En bref, la force normale fait partie de ces choses qui sont présentes à tout moment, mais dont nous ne réalisons généralement pas qu’elles existent.
C'est la force qui nous empêche de traverser le sol ou qui empêche les objets de s'enfoncer dans les surfaces. Il dépend du poids de l'objet et agit toujours perpendiculairement à la surface sur laquelle il repose. De plus, il intervient dans tous les types de situations du quotidien, de la position assise à la marche sur une pente.