Science/Physique/Force

                                                                                                                                            

 

Force : l'action mécanique

Depuis Newton, la définition est la suivante : notion abstraite comme si on attachait à des objets des élastiques tendus avec la même tension que la force. Le travail d’une force peut déformer un corps, modifier la pression, la vitesse, la température, provoquer un changement d’état. L’énergie fournie par l’action d’une force sur une distance donnée est appelée travail. On les classe selon leur distance d’action :

  • Forces de contact (appuyer, tirer), forces volumiques ou non conservatives (pression d’un fluide, frottement).
  • Forces à distance ou conservatives : attraction gravitationnelle, force magnétique.

 

Champ de force

Puit de potentiel

4 vecteurs de force

Résultante des forces

Moment des forces

Moment de renversement

Moment de stabilité

Couple de forces

Couple résultant

Force fictive ou inertielle

Force centrifuge

Pression

 

 

Champ de force

C’est une zone d’influence. Chaque chose forme un champ. Ainsi, toute autre chose se trouvant dans ce champ subira une force : la force à distance. La relativité générale utilise le concept de courbure de l’espace-temps.

 

Puit de potentiel

Objet soumis à l’attirance. L’objet est piégé dans un puit duquel il a potentiellement des difficultés à sortir.

 

4 vecteurs force

  • La direction : orientation de la force
  • Le sens : vers où la force agit
  • L’intensité : grandeur de la force mesurée en Newton
  • Le point d’application : endroit où la force s’exerce

 

Résultante des forces

Le dynanomètre mesure la force. Les forces équipollentes ont des représentations vectorielles équivalentes mis à part leur point d’application. Les forces opposées ont juste une intensité commune. Une résultante permet de déterminer la somme des forces s’exerçant sur un corps. 

Résultante des forces parallèles

Le point d'application de la résultante est le point par rapport auquel les moments de forces s'annulent. C'est un point à une distance 'x' de l'extrémité gauche : F1.x = F2 (L-x) où L est la longueur du segment (vos 7 cm).

Résultante des forces concourantes

Ajout des vecteurs par construction de parallélogramme pour connaître la valeur de la résultante.

 

Moment des forces

Le moment de force est l'aptitude d'une force à faire tourner un système mécanique autour d'un point donné, que l'on nomme pivot.

La distance (d), exprimée en mètre, est le bras de levier, un bras toujours perpendiculaire à la force. Plus cette distance est importante, moins l’intensité de la force sera importante. Le moment (M), exprimé en Newton-mètre, est le produit de son intensité par son bras de levier : Poids x d.

Si les moments de plusieurs forces sur un système sont égaux alors, le corps est en équilibre.

 

Moment de renversement

Mrenv=Msta=Fh (hauteur du point d'application).

 

 

Couple de forces

Système possédant 2 forces opposées ayant la même intensité, des lignes d’actions parallèles (non-confondues) et des sens opposés. Le couple actionne un mouvement de rotation.

Le moment d’un couple de forces (MC) est le produit de l’intensité par la distance séparant les lignes parallèles. 2 couples de forces tournant dans le même sens sont des couples équivalents sinon, ce sont des couples opposés.

 

Couple résultant

Somme des couples de forces d’un système. Il suffit d’additionner les moments de chaque couple.

 

Force fictive ou inertielle

Force apparente observée à partir d’un référentiel non inertiel, en mouvement (qui change constamment de direction). Une telle force n’est pas le résultat d’une interaction physique mais, du principe d’inertie qui résiste à l’attraction. Cependant, si l’on a définit par son effet, accélération ou déformation, alors c’est une force.

 

Force centrifuge (force de Coriolis=force centrifuge due à la rotation de la Terre)

Force dirigée vers l’extérieur car elle sort l’objet de sa trajectoire. Elle apparaît dans un référentiel en rotation. Ce qui donne un effet de pesanteur vers l’extérieur. Supposons que la corde casse juste au moment où elle est verticale. S’il y a une force anticentre, le caillou, à l’extrémité de cette corde, aura une trajectoire perpendiculaire. Mais cet évènement ne se produira jamais car cette force n’existe pas. Le caillou aura une trajectoire tangentielle. Le caillou ne veut qu’une chose au moment où aucune force n’intervient (la corde), c’est d’aller en ligne droite. C’est pourquoi, il est faux de parler de force centrifuge (illusion de force). C’est cette fausse apparence qui nous a conduit à une fausse interprétation. L’effet centrifuge est recherché lors de l’essorage du linge ; il constitue un désagrément quand un véhicule négocie un changement de direction, on a alors recours à des artifices pour compenser cet effet : combinaison anti-G, système pendulaire des trains, virages relevés, régulateur à effet centrifuge, vibreur de mobile. Les tirs de fusées sont situés à proximité de l’équateur car c’est là que l’effet de fronde est maximal. C’est le cas du Centre spatial de Kourou (5° de latitude Nord) et de Cap Kennedy (28° de latitude Nord). L’effet de fronde permet d’obtenir 15% de gain de performance en plus par rapport à la base de lancement de Cap Kennedy situé plus au nord. L’effet de fronde gravitationnelle consiste à utiliser les planètes pour accélérer une sonde.

F=mrw

Avec la masse (m) en kg, le rayon (r) en m et la vitesse angulaire ou fréquence angulaire (pulsation=tr/min) en rad/s.

Dans le cas d’un véhicule roulant à une vitesse v, on a mv2/r

 

Pression

Lorsqu’une force s’exerce sur une surface, il faut considérer la répartition de la force selon la surface. Ainsi, la punaise s’enfonce car la force est répartie sur une petite surface (l’extrémité de la pointe) ; si l’on appuie avec le doigt, il ne va pas s’enfoncer car la force est répartie sur une grande surface (l’extrémité du doigt). P=F/S. Avec P la pression en Newton/m2, la force exprimée en Newton et la surface S exprimée en m2.

 

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