Force

Une force est, en physique, ce qui permet de déplacer un objet (de modifier sa trajectoire), ou bien de le déformer si celui-ci est déformable.

La force est une grandeur physique, elle correspond à l'action d'appuyer, pousser, tirer, même sans mouvement (une personne ou un objet appuyé sur un mur...).

Lorsque la force provoque un déplacement, elle effectue un travail qui modifie l'énergie du corps déplacé, égale au produit force par déplacement. Le travail d'une force est la forme de l'énergie la plus simple et usuelle.

Unités modifier

La force se mesure grâce à des unités de mesure :

L'unité d'énergie du Système international d'unités (ou SI) est le newton (sans majuscule) dont le symbole est N.

Le newton a été défini comme la force qui permet de communiquer à une masse de 1 kilogramme une augmentation de vitesse de 1 mètre par seconde chaque seconde, c'est-à-dire une force capable de communiquer à une masse de 1 kilogramme une accélération de 1 (mètre par seconde) par seconde. Le nom de l'unité est choisi en hommage à Isaac Newton, qui a décrit les lois du mouvement de Newton.

Il existe peu d'autres unités de force, on note le kilogramme-force.

Qu'est-ce qu'une force ? modifier

La remontée de bateaux sur le Rhône tirés par des chevaux (halage (wp)) tableau d'Alexandre Dubuisson en 1843.

C'est Isaac Newton qui au 17^e siècle^? donne la définition de la force. Une force se définie par un vecteur. Donc, quatre éléments définissent une force :

sa direction dans l'espace
son sens, droite à gauche, de bas en haut, ...
son intensité, c'est-à-dire la grandeur de la force
son point d'application, c’est-à-dire l'endroit où la force s'applique sur un solide quelconque

Exemples modifier

On tire un objet avec une corde modifier

Lorsqu'on tire sur un objet avec une corde, on exerce une force : dont la direction et le sens sont ceux avec lesquels on tire, d'une intensité égale à la quantité d'effort qu'on fournit et dont le point d'application est l'endroit où la corde est attachée à l'objet (les physiciens disent le solide).

Pesanteur modifier

La gravité de la Terre exerce une force appelée pesanteur sur chaque objet qui possède une masse :

direction : sur la ligne qui relie le centre de la Terre et le centre de l'objet, donc verticale en chaque point du globe
sens : depuis l'objet vers le centre de la terre (donc en Australie, les gens ont aussi les pieds sur Terre)
intensité : proportionnelle à la masse de l'objet divisée par la distance au centre de la Terre au carré, multipliée par la constante de Gravitation G de Newton. Pour une masse de 1 kilogramme, la force exercée par la Terre avec l'accélération terrestre de 9,8m/(s^2) est de 9,8 N, soit environ 10 N. On appelle cette valeur le poids et est donc mesurée en Newton=N. Comme le poids est égal à la masse multipliée par dix, les gens donnent souvent un poids en unité de masse, ce qui n'est pas très correct, mais facile à rectifier. pour être plus précis sans cette confusion on le note 1kgp=10N avec un p pour poids en plus. Cette valeur de 10 signifie qu'un objet de 1 kilogramme en tombant verra sa vitesse augmenter de 10 mètres par seconde chaque seconde, ce qui est beaucoup. Sur la Lune, la pesanteur est environ 6 fois plus petite que sur la Terre.
Par exemple dans un choc en tombant on multiplie la force, par exemple avec un marteau tapant sur un clou. Lorsqu'on tombe de 5m=10/2m de haut ( un peu moins de 2 étages ) en une seconde on arrive au sol à la vitesse de 10 m/s soit 36 km/h. Alors sur un sol bien dur on stoppe sur moins de 1mm avec une décélération multipliée par le rapport des distances d'accélération sur celle d'arrêt : 5m/(1mm)=5000 fois. La force du choc contre le sol est donc le poids 50 kg, par exemple, multiplié par ce rapport de 5000 fois, c'est à dire 50x5000=250 tonnes, une force énorme qui casse tous les os en multipliant le poids d'un corps de 50kgp devenu 250 tonnes ! Si on s'en tire vivant, c'est qu'on a par chance réussi à augmenter la distance d'arrêt par 1000 en repliant ses membres sur environ un mètre en souplesse pour amortir et remplacer par 1m la distance d'arrêt au lieu de 1mm, avec la force du choc multipliée que par 5=5m/(1m), comme fait par les parachutistes !

Plusieurs forces modifier

La rencontre des forces de deux cordes et de celle d'un crochet, chacune dans une direction différente.

Que se passe-t-il lorsqu'il y a plusieurs forces ?

Les forces s'additionnent comme des vecteurs, par somme vectorielle. Plusieurs forces différentes sur un objet donnent alors la force résultante.

Soit l'objet change de vitesse (il tombe ou accélère...) soit il ne change pas de vitesse, ce qui veut dire que la somme des forces qu'il subit est égale à zéro, les forces s'annulent.

Un objet soumis à un ensemble de forces extérieures peut :

se déformer

subir une modification de sa vitesse

subir une modification de sa trajectoire.

Dans les 2 derniers cas, le principe fondamental de la dynamique permet d'en préciser les effets.

Si la somme vectorielles des forces extérieures est nulle, et que l'objet se trouve dans un référentiel "Galiléen", d'après le principe de l'inertie, l'objet demeurera immobile s'il l'était, ou conservera un mouvement rectiligne et uniforme.

Travail énergie=force par déplacement modifier

Une force qui se déplace est très utile, car elle effectue un travail ou énergie égal au produit de la force par le déplacement. en mètres le long de la force avec une unité du Joule soit J=N.m .

travail force par déplacement le long de la force

palan similaire à un levier ou un cric

Par exemple le travail ou énergie est conservé avec un levier ou un cric, comme expliqué ci dessus et facile à vérifier; Pareil en tapant sur un clou pour enfoncer ce clou qui donne de la chaleur en frottant dans le bois où il s'enfonce. Aussi le marteau se déplace beaucoup en tombant de 1mètre pour enfoncer le clou de 1mm. Aussi un facteur 1000, entre force de départ et déplacement existe pour la force finale 1000fois plus élevée qui se déplace 1000 fois moins...

La force peut être multipliée aussi avec un palan avec une corde enroulée sur plusieurs poulies de façon répétitive, comme visible sur la figure en cliquant dessus pour l'agrandir. La corde repliée plusieurs fois par effet de multiplication se déplace nettement plus que la charge soulevée bien plus lourde plus facile à soulever par effet multiplicatif. Cela est parfois utilisé en alpinisme ( mouflage, mot à voir en détail sur un moteur de recherche ) pour sauver des accidentés trop lourds dans une crevasse même sans poulies juste la corde glissant sur des mousquetons (attaches avec fermeture) ou .une tige de gros diamètre. Ainsi en multipliant la force on peut se sauve tombé dans une crevasse ( à voir sur carnetdalpinisme.)

mouflage

La puissance est le travail par seconde soit 1 Watt = 1Joule/s revient à monter la force de 1Newton = 100grammes-poids de 1m/s.vers le haut. 1Wh est le travail d'un Watt pendant une heure donc, avec 3600s en une heure le travail 1 Wh est celui qui remonte 100gp à 3600m d'altitude ou plus facile 100kgp à 3,6m de hauteur, Concrètement en montant son corps de 50kgp de 2*3,6m=7,2m on effectue un travail de 1Wh ( 2 étages environ )..

En montant en altitude on dépense un travail ou énergie qu'on récupère en descendant, par exemple en vélo on peut ainsi recharger les batteries du vélo électrique. en descendant ou freinant, si le vélo est bien conçu.

Concrètement un kilo de carburant à environ 1,5€ litre ou de graisse dans le corps contient selon les tables une énergie d'environ 10KWh soit le travail d'un moteur parfait de puissance 10kW =10kJoules par seconde pendant 1 heure !

Donc avec 1,5€ on peut monter pendant une heure à 1m/s vers le haut un poids de 10KN=10000 fois 100grammes poids soit 1 tonne-poids montant sur une heure de 3600 secondes à 3,6km d'altitude en montagne, avec un moteur parfait de rendement .100%, ne perdant rien.

En réalité les moteurs ont souvent en moyenne un rendement de 20%=0,2 comme les muscles humains de sportifs.

Alors avec 1,5€ on monte 1000*0,2=200kg-poids à 3600m d'altitude.

De même si on pèse environ 100kg-poids on consomme un kilo de graisse de son corps en montant à 200/100*3600m = 7200m d'altitude, ce qui est un exercice intense plus haut que le Mont Blanc pour perdre juste un Kg-poids sans manger rien de plus qu'au repos. Mesurée en activité physique l'énergie de 1,5€ de carburant ou de graisse est très peu chère.

Néanmoins en faisant chaque jour un exercice bien moins intense de monter que 200m en altitude (une colline ou 66 étages ) on perd moins soit 200/7200 Kg-poids=28Grammes-poids par jour, mais répété chaque jour .sur un an=365jours on perd quand même 28gp*365=10,2 kg-poids sans rien manger de plus qu'au repos, ce qui est quasiment impossible, mais cela montre que faire de l'exercice régulier même plus modéré permet de maigrir avec de la patience.

Relation aux unités standards internationales modifier

Dans une équation aux dimensions, une force est équivalente à [M].[L].[s]⁻². Autrement dit, un newton équivaut à un kilogramme-mètre par seconde au carré.

Références modifier

Les articles suivants de Wikipédia ont été consultés le 4 octobre 2007 pour l'élaboration de celui-ci :

Pour pratiquer modifier

Jouer avec des forces - labosim.net