La chimie du vivant

lundi, 29 janvier 2018 09:05

Force

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Une force désigne l'interaction entre deux objets ou deux systèmes. Il s’agit d’une action mécanique qui provoque une accélération. Cette accélération induit une modification de la vitesse. Il peut s’agir d’une augmentation de vitesse, de sa diminution ou du changement de trajectoire. Cette idée est traduite par le fait que la vitesse, tout comme la force, soit représentée par un vecteur qui présente une valeur, une direction et un sens.

Le concept de force va être utile pour prévoir le mouvement d'un objet et cela quelle que soit les causes du mouvement. Il peut par exemple s’agir d’un freinage, de la portance d’une aile, d’une attraction, du mouvement imposé par un moteur. Il est possible d’additionner les forces s'appliquant sur un même point, mais provenant de différentes causes, pour en obtenir une seule. Pour cela, il suffit de faire la somme des vecteurs.

Le point d'application

Une force exerce son action en un point appelé point d'application. Par la suite, l'action de la force va être transmise aux autres points de l'objet par déformation élastique. Par exemple, lorsque l'on pousse une voiture, la force de poussée s’exerce aux points de contact entre les mains et le véhicule. Cette force est ensuite transmise au reste du véhicule qui va se déplacer en entier.

La notion peut s'étendre au cas des surfaces de contact. Le point d'application est alors le barycentre de la surface de contact ; ou dans le cas des forces s’exerçant à distance, comme la gravité, le centre d'inertie de l'objet.

Unité de mesure

L'unité de mesure SI des forces est le newton, symbole N. 1 newton équivaut à 1 kg.m.s-2. C'est-à-dire qu'un newton est la force qui, appliquée pendant 1s à un objet de 1kg, est capable de modifier sa vitesse de 1m.s-1.

Quelques exemples de forces

Les phénomènes qui provoquent l'accélération ou la déformation d'un corps sont très divers, on distingue donc plusieurs types de force, mais qui sont tous modélisés par un même objet : le vecteur force. Par exemple, on peut classer les forces selon leur distance d'action :

  • Forces de contact
    • pression d'un gaz
    • action de contact d'un objet sur un autre (appuyer, tirer)
    • frottement
  • Forces à distance :
    • poids (attraction gravitationnelle)
    • force électromagnétique

Forces élastiques

Dans le cas le plus simple de la déformation élastique, l'allongement ou la compression modérée d'un ressort dans son axe engendre une force proportionnelle à l'allongement relatif, soit :

\[\overrightarrow{F} = -k \cdot \overrightarrow{x} \]
où k est la constante de raideur du ressort et x est son allongement.

Mesure d'une force

Tous les appareils servant à mesurer une force reposent dans leur principe de fonctionnement sur la troisième loi de Newton, c'està- dire que pour déterminer l'effort nécessaire qu'il faut opposer à la force à mesurer pour atteindre l'équilibre. Dans le cas particulier, du poids, on peut utiliser une balance qui compare le poids à mesurer au poids d'une masse connue. Pour les autres cas, on utilise généralement un dynamomètre qui est en général constitué d'un ressort dont on connaît la raideur k et dont une extrémité est attachée à un point fixe. On applique la force à mesurer sur l'autre extrémité du ressort et l'on mesure la variation de longueur Δl du ressort. On en déduit la force F par la relation que nous avons vue plus haut :

\[F = k \cdot \Delta l \]

La mesure de la longueur Δl est généralement faite par un comparateur. La force F étant directement proportionnelle à Δl, il suffit de graduer le cadran du comparateur en newtons plutôt qu'en mètres.

Les quatre forces de la nature

L'ensemble des interactions de la matière s'explique par uniquement quatre types de forces :

  • La force électromagnétique
  • La force gravitationnelle
  • L'interaction forte
  • L'interaction faible
Les deux dernières n'interviennent que de façon interne au noyau atomique. La force gravitationnelle se manifeste dans la plupart des phénomènes décrits par l'astronomie et la géologie. Toutefois, selon Einstein, la force gravitationnelle est le résultat de la courbure de l'espace-temps par la matière. Enfin, la force électro-magnétique est souvent la seule interaction à intervenir dans de très nombreux phénomène comme en chimie (réactions chimiques), la physico-chimie (dureté de certains matériaux, état liquide, solide ou gazeux de la matière), la mécanique (frottements), l'optique (comportement de la lumière), et tous les phénomènes faisant intervenir l'électricité ou le magnétisme.

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