La troisième loi de Newton (ou principe d'action et de réaction) est la dernière des trois lois fondamentales de la dynamique développées par Sir. Isaac Newton avec la loi de l'inertie (1a) et la loi fondamentale de la dynamique (2a). Ces lois expliquent une grande partie des aspects liés au mouvement des corps.
La troisième loi de Newton stipule que :
« À chaque action s’oppose toujours une réaction d’égale valeur, ou bien les actions mutuelles de deux corps l’un envers l’autre sont toujours dirigées vers la partie opposée. »
Explication de la loi d'action et de réaction
Autrement dit, si une force est exercée sur un corps a, le corps a répondra par une autre force de réaction de même ampleur et de direction opposée.
Les deux premiers principes de Newton (la loi de l'inertie et la loi fondamentale de la dynamique) se réfèrent à un seul corps. En revanche, la troisième loi fait référence à l’interaction entre deux corps.
Généralement, lorsque nous parlons de la troisième loi, nous exprimons le F pour force avec deux indices : le premier d'entre eux est pour indiquer le corps qui exerce la force, tandis que le deuxième indice est utilisé pour désigner le corps sur lequel la force agit.
Si, par exemple, nous avons deux corps a et b qui exercent des forces entre eux, F ab représente la force que le corps « a » exerce sur le corps « b ». De la même manière, F ba représente la force que le corps « b » exerce sur « a » : c'est-à-dire la force exercée par « b » sur « a ».
La troisième loi de Newton stipule que ces deux forces sont égales et opposées.
Les forces se produisent par paires, c’est-à-dire qu’il ne peut y avoir une seule force appliquée à un corps isolé.
Cette loi est indépendante du fait que les objets soient au repos, en mouvement ou en mouvement rectiligne uniforme.
La loi action-réaction s'applique aussi bien dans les situations de contact direct (par exemple, lorsqu'on pousse une table) que dans les interactions à distance (comme la force gravitationnelle entre deux corps). Les forces d’action et de réaction ne s’annulent pas car elles agissent sur des objets différents.
La troisième loi est également liée à des concepts importants tels que le principe de conservation de la quantité de mouvement . Ce principe indique qu'en l'absence de forces extérieures, la quantité de mouvement totale d'un système isolé reste constante. Par exemple, lorsqu’une fusée expulse des gaz vers le bas, le navire est poussé vers le haut, ce qui assure l’équilibre de la quantité de mouvement.
Qu'est-ce que le couple action-réaction ?
La paire action-réaction sont les deux forces qui s’exercent entre deux corps qui interagissent l’un avec l’autre.
Deux corps qui exercent une force l’un sur l’autre sont deux objets qui interagissent l’un avec l’autre. La loi d'action et de réaction de Newton établit la relation entre les deux forces résultant de l'interaction de deux corps. Pour cette raison, les deux forces F ab et F ba sont parfois appelées paires action-réaction. L’une des forces est appelée action et la seconde est appelée réaction.
Le choix de la force qui joue le rôle d'action ou de réaction est une décision arbitraire.
Exemples de la troisième loi de Newton
Ci-dessous nous montrons quelques exemples de la troisième loi :
- Un libor au repos : Un livre posé sur une table exerce une force sur la table due à la gravité. En même temps, la table exerce une force normale de même ampleur mais de direction opposée pour compenser cette force. Grâce à cette force de réaction, le livre restera au repos.
- L'union d'une locomotive avec ses wagons : Une locomotive exerce une force sur le wagon qui lui est attaché dans le sens de la marche. Dans le même temps, la voiture exerce une force de réaction en sens inverse, s’opposant au mouvement.
- Marche : Lorsque vous marchez, vos pieds poussent le sol vers l'arrière, et le sol vous pousse vers l'avant.
- Natation : En repoussant l'eau avec vos mains, l'eau vous propulse vers l'avant.
- Décollage d'une fusée : Les gaz expulsés vers le bas génèrent une force qui pousse la fusée vers le haut.
- Ramer sur un bateau : En repoussant l'eau avec les rames, le bateau avance.
- Frapper une balle : Lorsque vous frappez une balle, vous exercez une force sur elle, et celle-ci applique une force opposée sur votre raquette ou votre pied.
- Sauter par terre : Vos jambes poussent le sol vers le bas, et cela vous pousse vers le haut.
- Frapper une voiture contre un mur : La voiture exerce une force sur le mur, et le mur exerce une force égale sur la voiture.
- Pousser une table : Lorsque vous la poussez, la table vous repousse.
- Atterrissage d'un avion : Les roues de l'avion appliquent une force vers le bas sur la piste, tandis que la piste les pousse vers le haut.
- Lancer une pierre : Lorsque vous lancez une pierre, votre main applique une force vers l'avant, tandis que la pierre applique une force dans la direction opposée sur votre main.
Applications technologiques de la troisième loi
La troisième loi de Newton est appliquée dans de nombreuses applications technologiques , notamment dans le domaine de la propulsion et de l'ingénierie. L'un des exemples les plus notables est celui de la propulsion par fusée . Une fusée fonctionne en expulsant des gaz vers le bas à grande vitesse ; c'est l'action. En réponse, selon la troisième loi, la fusée est poussée vers le haut avec une force égale en ampleur mais dans la direction opposée, lui permettant de décoller et de voler.
Ce même principe s'applique à la propulsion à réaction utilisée dans les avions. Les moteurs expulsent les gaz vers l’arrière, ce qui génère la force de poussée qui propulse l’avion vers l’avant. Sans la troisième loi, le déplacement de ces avions ou autres véhicules propulsés par des réacteurs ne serait pas possible.
Un autre domaine où cette loi a des applications importantes est celui de l'ingénierie nucléaire . Dans les réacteurs nucléaires, l'énergie libérée par la fission des noyaux atomiques génère de la chaleur, qui à son tour convertit l'eau en vapeur. Cette vapeur est expulsée dans une turbine qui génère la force de réaction nécessaire à la production d'électricité.
Ces applications démontrent à quel point la troisième loi est fondamentale dans la conception et l’exploitation des technologies avancées qui stimulent aujourd’hui la mobilité et la production d’énergie.