Les forces

Force, mouvement et inertie

La notion de force est une des bases de la mécanique et est fortement reliée à la notion de mouvement et au principe d'inertie : une force peut être définie comme

Ainsi, en absence de toute force, un corps garde un mouvement rectiligne uniforme (principe d'inertie). La traduction sous forme mathématique de cette définition est la fameuse équation :

où F est la somme vectorielle de toutes les forces qui s'appliquent à un corps de masse m (masse supposée constante dans ce cas), a est son accélération, donc la variation de sa vitesse. On voit immediatement que si F=0, ce corps ne subit aucune accélération (a=0), sa vitesse est constante et on retrouve le principe d'inertie.

Cette formule permet aussi facilement de comprendre la notion d'inertie au mouvement des objets, due à leur masse. En effet, on voit que l'accélération d'un corps est proportionnelle à la force qui s'exerce sur lui, mais inversement proportionnelle à sa masse. Ainsi, plus un objet est lourd, plus la force que l'on doit exercer sur lui doit être grande pour obtenir la même accélération, c'est à dire le même effet sur son mouvement. Il est plus facile de déplacer une armoire vide qu'une armoire pleine de livres ! C'est pour cela que l'on nomme parfois la masse de la formule précédente "masse inerte"'.

Caractérisation des forces

Une force peut être plus ou moins forte, elle est donc caractérisée par une intensité. La mesure de cette intensité est exprimée en Newton (N), avec la définition suivante : 1 N = 1 kg.m.s^-2, ce qui est facilement déductible de la formule précédente (la masse est exprimée en kg, l'accélération en m.s^-2). La pression est la force exercée par unité de surface, donc l'intensité de la pression est exprimée en Pascal (Pa), avec 1 Pa = 1 N.m^-2.

Dans le cas d'une interaction à distance entre deux objets par le biais d'une force (par exemple entre un aimant et un trombone), l'intensité varie en fonction de la distance séparant les deux objets. Plus l'aimant est proche du trombone, plus il l'attire.

En plus de son intensité, une force peut être aussi caractérisée par une autre notion : elle peut être attractive ou répulsive. Cette différence de comportement est très facile à observer avec deux aimants : suivant le sens des pôles magnétiques, les deux aimants s'attirent ou se repoussent.

Enfin, les forces sont souvent sensibles à la nature des objets. Ainsi, la force magnétique d'un aimant n'attire que certains objets comme les objets en fer et n'a aucune influence sur le verre ou le plastique par exemple.

Forces et interactions fondamentales

Il existe de nombreuses forces différentes dans notre environnement. La plus intuitivement perceptible est le poids, force d'attraction entre la Terre et les objets ou êtres vivants, qui est directement sensible. Mais d'autres forces comme les forces magnétique et électrostatique sont aussi facilement perceptibles dans la vie courante, ainsi que les forces élastique ou de frottement. Tout le monde a pu ainsi utiliser un jour des aimants, sentir l'attraction électrostatique entre deux feuilles de papier sortant d'une photocopieuse, utiliser des ressorts ou être freiné par le frottement de l'air en faisant du vélo...

Pourtant, malgré la grande variété des forces que l'on peut rencontrer dans l'univers, tous les phénomènes connus actuellement peuvent être expliqués à l'aide de seulement quatre forces fondamentales, on parle alors d'interactions fondamentales :

• la gravitation, qui explique la pesanteur (donc le poids) mais aussi les marées ou les trajectoires des planètes ou des étoiles,

• l'interaction électromagnétique, qui permet d'expliquer l'électricité, le magnétisme, la lumière, les réactions chimiques ou la biologie (en fait quasiment tous les phénomènes de la vie courante),

• l'interaction forte, qui explique la cohésion des noyaux atomiques (donc l'existence de la matière que nous connaissons),

• l'interaction faible, qui permet d'expliquer une certaine forme de radioactivité et permet au Soleil de briller.

Il faut aussi noter que la force centrifuge ne découle pas directement d'une interaction fondamentale. Dans un virage, la force dirigée vers l'intérieur de la courbe qui tend à dévier la trajectoire du véhicule est équilibrée par une force contraire étant donc dirigée vers l'extérieur de la courbe: la force centrifuge. Ceci n'est vrai que dans le référentiel lié au véhicule, véhicule qui est donc au repos dans ce référentiel. Dans le référentiel lié à la route, seule la force centripète est présente (celle qui tend à courber la trajectoire). La force centrifuge n'est donc qu'un effet provoqué par le passage dans un référentiel soumis à une accélération non nulle.

Interaction et échange de particules

Dans la physique actuelle, prenant en compte à la fois la relativité restreinte et la mécanique quantique (donc valable même à très grande vitesse, presque 300 000 km/s, et à très petite échelle, environ 10^-18m soit un millionième de milliardième de millimètre), les interactions fondamentales sont le résultat d'un échange de particules de rayonnement entre des particules de matière (dans le cas de la gravitation, cet échange n'a pas encore été mis en évidence, bien qu'il soit supposé).

Ainsi, entre deux particules de matière éloignées l'une de l'autre, l'échange de particules de rayonnement permet une interaction à distance entre ces particules. La particule de rayonnement échangée est appelée vecteur de l'interaction.

La vitesse de ces vecteurs ne peut en aucun cas être supérieure à la vitesse de la lumière dans le vide, ce qui interdit toute interaction à distance instantanée.

Il est facile d'illustrer cette interaction par échange en imaginant deux personnes situées chacune sur une barque au milieu d'un étang et échangeant un ballon. Le principe d'action-réaction fait que l'échange du ballon oblige les deux barques à s'éloigner l'une de l'autre, générant ainsi une interaction répulsive entre les personnes. On voit aussi que plus le ballon est lourd, plus il est difficile de le lancer loin, ce qui restreint d'autant plus la portée de cette interaction.

Ainsi, si le vecteur d'une interaction fondamentale est massif, cette interaction sera de plus courte portée qu'une interaction ayant un vecteur léger.