3.2. Les forces

	objet, action, agir, modèle, droite d'action, sens, grandeur physique, force, newton (N), dynamomètre, interactions, actions réciproques.

I. Caractéristiques des forces

Les actions et les interactions peuvent être modélisées grâce au modèle actions. Toutefois, ce modèle ne permet pas de rendre compte de l'intensité, d'une valeur mesurable pour quantifier ces actions. Nous devons donc changer de modèle.  Nous ne parlerons plus d'actions ou d'interactions, mais de forces qui agissent sur un objet ou de forces réciproques.

I.1. Mettons en évidence quelques caractéristiques des forces

I.1.1. Une force possède une direction

La bille d'acier est attirée par l'aimant. La bille se met en mouvement et se rapproche de l'aimant. Ceci est donc une force qui modifie l'état de repos de la bille.

La force possède une direction : dans ce cas, la bille se déplace horizontalement vers l'aimant.

 

I.1.2. Une force possède un sens

fig.1	La force a un sens :   fig.1 : les aimants sont présentés avec le même pôle de chaque côtés, les aimants se repoussent. fig.2 : Si l'on inverse le sens d'un des aimants, les aimants s'attirent. La force a donc un sens.
fig.2

I.1.3. Une force possède une intensité

fig. 3

fig. 4

fig.3 : Une masse est suspendue à un ressort : ce qui déforme le ressort de 2 centimètres vers le bas. fig.4 : Deux masses identiques sont suspendues à un ressort : ce qui déforme le ressort de 4 centimètres vers le bas. Une force possède donc une intensité

I.1.4. Synthèse des caractéristiques des forces

Une force possède

• une direction
• un sens
• une intensité

II. Vers une définition du mot "force"

Observe les situations ci-dessous :

La force exercée par l'archer déforme la corde de l'arc.	La force exercée par le club sur la balle la met en mouvement.	Le vent accélère le mouvement des voiliers sur l'eau.

II.1. Définition :

Nous pouvons construire une définition à l'aide des caractéristiques d'une force et ses effets.

Déformer ...

• temporairement (élastique)

• définitivement   (boule de plasticine modelée)

Modifier l'état de repos ou de mouvement ...

• mettre en mouvement

• accélérer

• freiner

• changer de direction

• changer de sens

II.2. Différents types de forces :

Toutes les forces illustrées dans cette animation sont des forces qui agissent à distance.

Nous pouvons mettre en évidence deux types de forces :

• Les forces de contacts, qui agissent au contact de l'objet.

  •  exemple : traction sur une corde, collision entre des boules de billards, ...

• Les forces à distance, qui agissent à distance de l'objet, séparée par l'air, l'eau, le vide, ...

  • Exemple : répulsion ou attraction de deux aimants, force électrique, ...

   

III. Mesurer l'intensité d'une force : dynamomètre et Newton

III.1.  Un nouvel instrument de mesure : Le dynamomètre.

Le dynamomètre est l'instrument de mesure des forces. Il est composé d'un ressort prolongé d'une tige terminée par un crochet. A la jonction du ressort et de la tige métallique se trouve un curseur coloré. Le dispositif est enfermé dans un boitier en plastique. Une échelle graduée en "N" est gravée sur la parois. Lorsque le crochet est libre, le curseur indique 0 N, si je tire sur le crochet, le curseur se déplace et indique la valeur de la force exercée sur le crochet.

III.2. Une nouvelle unité : Le newton.

Le dynamomètre est gradué en newton, dont le symbole est N. Le newton est l'unité de mesure de l'intensité d'une force.

III.3. Utilisation du dynamomètre pour comparer la force exercée par une masse dans l'air et dans l'eau

Cette applet Java simule une expérience simple : Un corps solide suspendu à un dynamomètre est plongé dans un liquide (en le déplaçant avec la souris!).

Vous pouvez modifier la masse au bout du dynamomètre en modifiant le paramètre "densité du corps" (1). Vous pouvez également changer de dynamomètre (3). Il existe des dynamomètres adaptés à la mesure de petites intensités (0,1 à 2 N) et d'autres adaptés à la mesure de grandes intensités (200 à 1000 N). La valeur de l'intensité se lit en (2).

Si il apparaît "Maximum atteint!" (en rouge), vous avez atteint la tension maximale du dynamomètre.

 

	(1)
	(2)
	(3)

Crédits

URL: http://www.walter-fendt.de/ph14f/buoyforce_f.htm © Walter Fendt, 19 avril 1998 © Traduction: Yves Weiss, 22 juin 1998 Dernière modification: 4 février 2010

IV. Les conventions du modèle "force"

Il faut aussi définir une échelle. Par exemple, dans l'échelle 1 cm =  1 N. La longueur du vecteur correspond à la valeur de l'intensité de la force.

Dans l'exemple ci-dessus, le vecteur représente une force de 4N qui s'exerce sur l'objet représenté par le point, dans la direction oblique, dans le sens de bas à gauche à en haut à droite.

V. Exemples de représentation des forces.

La force de l'homme  sur le câble	La force du club sur la balle	La force de l'archer sur la corde	La force de la baguette sur la timbale
Effet : le câble se déforme	Effet : la balle se met en mouvement	Effet : La corde se tend	Effet : La timbale se penche et émet un bruit.

L'avantage du modèle force, est que sa représentation peut être superposée à l'image de la situation réelle. De plus, ce modèle est utilisé à travers le monde entier et il permet d'analyser des situations complexes.

Remarque : dans toutes les situations illustrées, il s'agit de forces de contact.

Vecteur : représentation graphique qui modélise une force. Un vecteur possède une direction, un sens, une origine (le point objet) et une longueur (proportionnelle à la force qu'il représente). Force : toute cause capable de déformer un corps ou de modifier son état de repos ou de mouvement. Une force se caractérise par une direction, un sens et une intensité. Dynamomètre : instrument de mesure des forces. Newton (N) : unité des forces. Il exerce une force de 3 N. Force de contact : force qui se manifeste au contact d'un objet. Force à distance : force qui agit à distance (sans contact direct avec l'objet).

 

	Représentation de forces

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