La troisième loi de Newton est l'une des trois lois fondamentales formulées par Sir Isaac Newton dans son ouvrage Principia Mathematica en 1687, qui constituent la base de la mécanique classique depuis des siècles.
Cette loi stipule que « pour chaque action, il y a une réaction égale et opposée ». En d’autres termes, lorsque l’objet A exerce une force sur l’objet B, l’objet B exerce simultanément une force d’égale ampleur mais dans la direction opposée sur l’objet A.
Bien que cette loi puisse paraître simple, elle est fondamentale pour comprendre comment les objets interagissent dans notre environnement. Nous allons approfondir le concept à travers des exemples détaillés liés à cette loi, ce qui permettra une compréhension plus approfondie de son application.
1. Marcher sur le sol
Un exemple quotidien et direct de la troisième loi de Newton est l’acte de marcher. Lorsque vous marchez, vos pieds appliquent une force vers l’arrière au sol. C'est "l'action".
Selon la troisième loi de Newton, le sol réagit en exerçant une force dans la direction opposée (force de friction), c'est-à-dire vers l'avant. C’est la « réaction » qui permet d’avancer. Sans cette force de réaction, vous ne pourriez tout simplement pas avancer. Sur les surfaces glissantes, comme la glace, la friction est minime, et donc la réaction du sol est plus faible, rendant la marche plus difficile.
De manière plus détaillée, lorsque le pied repousse, une interaction se produit entre la surface de la chaussure et le sol. La friction entre les deux permet à la force appliquée d’être suffisante pour générer une réaction vers l’avant, propulsant le corps vers l’avant. L’ampleur de la force appliquée est la même que la force qu’exerce le sol sur le pied, mais dans la direction opposée.
2. Nager dans l'eau
Lorsque vous nagez, vous utilisez vos mains et vos pieds pour repousser l’eau. Cette réaction est « l’action ».
Selon la troisième loi de Newton, l'eau réagit en appliquant une force de même ampleur mais dans la direction opposée, vous propulsant vers l'avant dans l'eau. Cette force de réaction est ce qui permet d’avancer en nageant.
Le même principe peut être observé chez les poissons. Lorsqu'un poisson déplace sa nageoire caudale d'un côté, il pousse l'eau dans une direction et, en réponse, l'eau pousse le poisson dans la direction opposée, lui permettant ainsi de se déplacer dans l'eau. Sans la troisième loi de Newton, ni les humains ni les animaux ne pourraient nager efficacement.
3. Décollage de fusée
Le décollage d’une fusée est un exemple dramatique de la troisième loi de Newton en action. Lorsqu'une fusée décolle, les gaz brûlés dans les moteurs sont expulsés vers le bas avec une grande force, ce qui constitue « l'action ».
Selon la troisième loi de Newton, la fusée reçoit une force d'égale ampleur mais dans la direction opposée, c'est-à-dire vers le haut, ce qui lui permet de décoller du sol et de monter dans l'espace.
Ce phénomène s'explique mieux en termes d'élan ou d'élan. Les gaz expulsés acquièrent une grande impulsion vers le bas, et pour conserver l'impulsion du système total, la fusée acquiert une impulsion égale mais dans la direction opposée, ce qui génère la montée.
Cette application est cruciale dans l’industrie aérospatiale, car sans ce principe, il serait impossible de lancer des véhicules dans l’espace.
4. Frapper une balle
Lorsque vous jouez au tennis ou au football, l'interaction entre l'outil (une raquette ou un pied) et la balle est un autre exemple de la troisième loi de Newton. Lorsque vous frappez une balle, vous exercez une force dessus. C'est "l'action". La balle, à son tour, exerce une force d’égale ampleur mais dans la direction opposée sur la raquette ou le pied. C'est la "réaction".
En analyse plus approfondie, lorsque la raquette de tennis frappe la balle, les deux forces interagissent pendant une très courte période de temps. La force de réaction que la balle applique à la raquette est ressentie dans la main du joueur, ce qui explique pourquoi, si l'on frappe une balle très rapidement, on ressent une secousse ou une vibration.
Cet échange de forces est fondamental dans tout sport de ballon, et la capacité des joueurs à contrôler ces forces détermine leur réussite dans le jeu.
5. Ramer un bateau
Un autre exemple intéressant est l’acte d’aviron. Lorsque vous utilisez les rames pour pousser l’eau vers l’arrière, vous appliquez une force vers l’arrière sur l’eau. C'est "l'action".
Selon la troisième loi de Newton, l'eau réagit en appliquant une force opposée sur les rames, poussant le bateau vers l'avant.
Ici, l’efficacité du mouvement dépend de la friction et de la résistance de l’eau. L'eau, étant un fluide, offre une résistance aux rames, ce qui facilite l'application de la troisième loi. Si vous essayiez de ramer dans les airs, là où il n’y a pas assez de résistance, le même effet ne se produirait pas, puisque l’air ne fournit pas la réaction nécessaire pour faire avancer le bateau.
6. Sauter par terre
Lorsque vous sautez, vos jambes appliquent une force vers le bas sur le sol, ce qui constitue « l'action ». Le sol répond en appliquant une force ascendante d’égale ampleur, ce qui constitue la « réaction ». Cette force de réaction est ce qui vous propulse vers le haut lors du saut.
Dans ce cas, l’ampleur de la force appliquée vers le bas sur le sol déterminera la hauteur du saut. Plus la force que vous exercez sur le sol est grande, plus la force de réaction que le sol appliquera sur vous sera importante, et donc plus vous sauterez haut.
De plus, la troisième loi explique également pourquoi il est plus facile de sauter sur des surfaces fermes, comme le béton, que sur des surfaces molles, comme le sable, où le sol ne peut pas générer une réaction aussi forte.
7. Collision entre une voiture et un mur
Imaginez qu'une voiture s'écrase contre un mur. Dans ce cas, la voiture exerce une force vers l’avant sur le mur lors de l’impact. C'est "l'action". Le mur, en réponse, exerce une force d’égale ampleur mais de sens opposé sur la voiture, ce qui constitue la « réaction ». Cette force de réaction est ce qui arrête la voiture ou même la pousse vers l’arrière.
Dans ce type de situations, la troisième loi de Newton est également cruciale pour comprendre les dommages subis à la fois par la voiture et par le mur. Si la voiture se déplace rapidement, la force de collision est plus grande, ce qui implique que la réaction du mur sera également plus importante. Cela explique pourquoi les accidents à grande vitesse ont tendance à être plus dévastateurs que ceux à basse vitesse.
De plus, les forces impliquées dans la collision peuvent être inégalement réparties en fonction de la structure des matériaux impliqués.
8. Jetez une pierre
Lorsque vous lancez une pierre, votre main applique une force vers l’avant sur la pierre. C'est "l'action". La pierre, en réponse, applique une force d’égale ampleur mais dans la direction opposée sur votre main. C'est la "réaction".
Bien que la pierre avance grâce à la force appliquée, votre main ressent la force opposée au moment du lancement.
Cet exemple peut également être lié à la notion d'élan. Plus la force que vous appliquez sur la pierre est grande, plus elle se déplacera rapidement. Cependant, la force de réaction exercée sur votre main sera également plus grande, ce qui peut vous faire ressentir une traction ou une résistance lorsque vous lancez des objets lourds ou rapides.
9. Poussez une table
Lorsque vous poussez sur une table, vous appliquez une force vers l'avant sur la table. C'est "l'action". La table, à son tour, exerce une force d’égale ampleur mais dans la direction opposée sur vos mains. C'est la "réaction".
Bien que la table avance en raison de la force que vous appliquez, la force de réaction qu'elle exerce sur vous peut vous faire ressentir une résistance, surtout si la table est lourde.
Si vous appliquez plus de force, la table bougera plus facilement, puisque la friction entre la table et le sol sera plus facilement surmontée. Cependant, la force que vous ressentez dans vos mains sera toujours égale à la force que vous appliquez, bien que dans la direction opposée, ce qui est une manifestation claire de la troisième loi de Newton.
10. Atterrissage d'un avion
Lorsqu'un avion atterrit, ses roues exercent une force vers le bas sur la piste en raison du poids de l'avion. C'est "l'action".
La piste, selon la troisième loi de Newton, exerce une force ascendante d'égale ampleur sur les roues de l'avion. C'est la « réaction », qui soutient l'avion et lui permet de décélérer en toute sécurité.
Ce processus est essentiel pour que l’avion s’arrête de manière contrôlée. Si cette force de réaction ascendante n’existait pas, l’avion ne serait pas capable de freiner correctement et pourrait sortir de la piste. De plus, lors de l’atterrissage, les freins et la friction entre les roues et la piste génèrent des forces supplémentaires qui permettent à l’avion de s’arrêter complètement.
11. Réaction en chaîne dans un réacteur nucléaire
Dans un réacteur nucléaire, la fission de noyaux lourds comme l'uranium 235 génère de l'énergie. Au cours de ce processus, lorsqu'un neutron frappe un noyau d'uranium, celui-ci se divise en deux fragments plus petits, libérant ainsi de l'énergie et davantage de neutrons. Ces neutrons peuvent à leur tour entrer en collision avec d'autres noyaux d'uranium, déclenchant une réaction en chaîne .
Selon la troisième loi de Newton, lorsque le neutron frappe le noyau d'uranium et le divise, une « action » se produit qui consiste en la fragmentation du noyau et la libération de particules subatomiques, telles que des neutrons et des photons (rayons gamma). La « réaction » est la force d’égale ampleur mais de direction opposée qu’exercent les fragments du noyau sur les particules libérées.
Ces fragments se repoussent et se séparent à grande vitesse, générant la chaleur nécessaire à la transformation de l'eau en vapeur et au fonctionnement des turbines du réacteur.
12. Propulsion nucléaire dans les sous-marins et les engins spatiaux
Certains sous-marins et engins spatiaux utilisent des réacteurs nucléaires pour produire de l'énergie et de la propulsion.
Dans ce cas, la troisième loi de Newton est également présente dans les systèmes de propulsion basés sur l'énergie nucléaire. Un réacteur nucléaire sur un sous-marin utilise l'énergie libérée par la fission pour chauffer l'eau et générer de la vapeur, qui est ensuite expulsée par des turbines pour générer l'énergie mécanique qui propulse le navire.
La troisième loi s'applique lorsque la vapeur générée par le réacteur nucléaire est expulsée d'un côté, créant une force de réaction du côté opposé qui déplace le sous-marin ou l'engin spatial.
Cette action d'expulsion de vapeur ou de gaz suit le même principe que la propulsion à réaction, mais au lieu de brûler du carburant chimique, l'énergie libérée par la fission nucléaire est utilisée pour générer une poussée.