Force, Énergie et Moments

Qu'est-ce que l'énergie ?

L'énergie est la capacité de faire un travail, alors que le travail est égal à la force appliquée pour déplacer un objet d'une certaine distance dans la direction déterminée par cette force. L'énergie est donc la quantité de travail appliquée à l'objet par cette force. La particularité de l'énergie est qu'elle peut être transformée.

La conservation de l'énergie

La conservation de l'énergie stipule que l'énergie n'est transférée d'un état à un autre que de façon à ce que l'énergie totale d'un système fermé soit conservée.

Par exemple, lorsqu'un objet tombe, son énergie potentielle est convertie en énergie cinétique, mais la somme totale des deux énergies (l'énergie mécanique du système) est la même à chaque instant de la chute.

Qu'est-ce qu'un moment ?

L'effet de rotation ou la force produite autour d'un pivot s'appelle le moment d'une force ou d'un couple. Les charnières d'une porte qui s'ouvre ou un écrou tourné par une clé sont des exemples de pivots. Le desserrage d'un écrou serré et l'ouverture d'une porte autour d'une charnière fixe impliquent tous deux un moment.

Bien qu'il s'agisse d'un mouvement de rotation autour d'un pivot fixe, il existe également d'autres types d'effets de rotation.

Quels sont les types de moments d'une force ?

Outre l'aspect rotatif, il faut également noter le sens dans lequel l'objet se déplace. Par exemple, dans le cas d'une horloge analogique, toutes ses aiguilles tournent dans le même sens autour d'un pivot fixe situé en son centre. Le sens, dans ce cas, est celui des aiguilles d'une montre.

Dans le sens des aiguilles d'une montre

Lorsqu'un moment ou un effet de rotation d'une force autour d'un point produit un mouvement dans le sens des aiguilles d'une montre, ce moment est dans le sens des aiguilles d'une montre. Dans les calculs, on considère qu'un moment dans le sens des aiguilles d'une montre est négatif.

Moment antihoraire

De même, lorsqu'un moment ou un effet de rotation d'une force autour d'un point produit un mouvement dans le sens inverse des aiguilles d'une montre, ce moment est dans le sens inverse des aiguilles d'une montre. Dans les calculs, nous considérons qu'un moment dans le sens inverse des aiguilles d'une montre est positif.

Comment calculer le moment d'une force ?

L'effet de rotation d'une force, également appelé couple, peut être calculé à l'aide de la formule :

\[T = r \cdot F \sin(\theta)\]

1. T = couple.
2. r = distance par rapport à la force appliquée.
3. F = force appliquée.
4. 𝜭 = angle entre F et le bras de levier.

Dans ce diagramme, deux forces agissent :_F1 et_F2. Si nous voulons trouver le moment de la force_F1 autour du point de pivot 2 (où la force_F2 agit), nous pouvons le calculer en multipliant_F1 par la distance entre le point 1 et le point 2 :

\[\text{Moment de la force} = F_1 \cdot D\]

Cependant, pour calculer le moment de la force_F2 autour du point de pivot 1 (où la force_F1 agit), nous devons improviser un peu. Jette un coup d'œil à la figure 6 ci-dessous.

_F2 n'est pas perpendiculaire à la tige. Nous devons donc trouver la composante de la force_F2 qui est perpendiculaire à la ligne d'action de cette force.

Dans ce cas, la formule devient_F2 sin𝜭 (où 𝜭 est l'angle entre_F2 et l'horizontale). La formule pour calculer le couple autour de la force_F2 est donc :

\[\text{Moment de la force} = F_2 \cdot \sin(\theta) \cdot D\]

Le principe du moment

Le principe du moment stipule que lorsqu'un corps est en équilibre autour d'un point pivot, la somme des moments dans le sens des aiguilles d'une montre est égale à la somme des moments dans le sens inverse des aiguilles d'une montre. Nous disons que l'objet est en équilibre et qu'il ne bougera pas à moins que l'une des forces ne change ou que la distance du pivot de l'une ou l'autre des forces ne change. Vois l'illustration ci-dessous :

Qu'est-ce qu'un couple ?

En physique, un moment de couple correspond à deux forces parallèles égales, qui sont dans des directions opposées l'une à l'autre et à la même distance du point de pivot, agissant sur un objet et produisant un effet de rotation. Un exemple serait celui d'un conducteur qui tournerait le volant de sa voiture avec ses deux mains.

La caractéristique d'un couple est que, bien qu'il y ait un effet de rotation, la somme des forces résultantes est nulle. Il n'y a donc pas de mouvement de translation mais seulement de rotation.

Pour calculer le moment d'un couple, il faut multiplier l'une ou l'autre des forces par la distance qui les sépare. Dans le cas de notre exemple ci-dessus, le calcul est le suivant :

\[\text{Moment d'un couple} = F \cdot S\]

Quelle est l'unité du moment d'une force ?

Comme l'unité d'une force est le Newton et l'unité de la distance le mètre, l'unité du moment devient le Newton par mètre (Nm). Un couple est donc une quantité vectorielle puisqu'il a une magnitude et une direction.