Forces et mouvement : Définition
Pour bien comprendre comment les forces et le mouvement sont liés, nous devons nous familiariser avec une certaine terminologie, alors commençons par expliquer plus en détail ce que nous appelons le mouvement et la force.
Nous disons qu'un objet est enmouvement s'il se déplace. S'il ne bouge pas, nous disons qu'il est au repos.
La valeur spécifique de la vitesse à un moment donné définit l'état de mouvement d'un objet.
Laforce est toute influence qui peut provoquer un changement dans l'état de mouvement d'un objet.
Une force peut être considérée comme une poussée ou une traction qui agit sur un objet.
Propriétés des forces et du mouvement
Il est très important de garder à l'esprit que la vitesse et les forces sont des vecteurs. Cela signifie que nous devons spécifier leur magnitude et leur direction pour les définir.
Prenons un exemple où nous pouvons voir l'importance de la nature vectorielle de la vitesse pour parler de l'état de mouvement d'un objet.
Une voiture se dirige vers l'ouest à une vitesse constante de. Au bout d'une heure, elle tourne et continue à la même vitesse, en direction du nord.
La voiture est toujours en mouvement. Cependant, son état de mouvement change même si sa vitesse reste la même tout le temps car, au début, elle se déplace vers l'ouest, mais elle finit par se déplacer vers le nord.
Une force est également une quantité vectorielle, il n'est donc pas logique de parler de forces et de mouvement si nous ne précisons pas sa direction et sa magnitude. Mais avant d'entrer dans les détails, parlons des unités de force. Les unités SI de force sont les newtons. Un newton peut être défini comme une force qui produit une accélération d'un mètre par seconde au carré sur un objet d'une masse d'un kilogramme.
Lesforces sont généralement représentées par le symbole. Plusieurs forces peuvent agir sur le même objet, c'est pourquoi nous allons maintenant aborder les principes de base de la gestion de forces multiples.
Notions de base sur la force et le mouvement
Comme nous le verrons plus tard, les forces déterminent le mouvement des objets. Par conséquent, pour prédire le mouvement d'un objet, il est très important de savoir comment gérer des forces multiples. Comme les forces sont des quantités vectorielles, elles peuvent être additionnées en additionnant leurs magnitudes en fonction de leurs directions. La somme d'un groupe de forces est appelée force résultante ou force nette.
La force résultante ou force nette est une force unique qui a le même effet sur un objet que deux ou plusieurs forces indépendantes agissant sur lui.
Fig. 1 - Pour calculer la force résultante, il faut additionner toutes les forces agissant sur un objet sous forme de vecteurs.
Regarde l'image ci-dessus. Si deux forces agissent dans des directions opposées, le vecteur de la force résultante sera la différence entre elles, agissant dans la direction de la force la plus importante. Inversement, si deux forces agissent dans la même direction, nous pouvons additionner leurs grandeurs pour trouver une force résultante qui agit dans la même direction qu'elles. Dans le cas de la boîte rouge, la force résultante estvers la droite. En revanche, pour la boîte bleue, la résultante est
vers la droite.
Lorsque l'on parle de sommes de forces, il est bon de présenter ce que sont les forces déséquilibrées et équilibrées.
Si la résultante de toutes les forces agissant sur un objet est nulle, on parle alors de forces équilibrées et on dit que l'objet est en équilibre.
Comme les forces s'annulent, cela équivaut à ne pas avoir de force du tout agissant sur l'objet.
Si la résultante n'est pas égale à zéro, nous avons une force déséquilibrée.
Tu verras pourquoi il est important de faire cette distinction dans les sections suivantes. Poursuivons maintenant en examinant la relation entre les forces et le mouvement à travers les lois de Newton.
Relation entre les forces et le mouvement : Les lois de Newton sur le mouvement
Nous avons mentionné précédemment que les forces peuvent modifier l'état de mouvement d'un objet, mais nous n'avons pas dit exactement comment cela se produit. Sir Isaac Newton a formulé trois lois fondamentales du mouvement qui décrivent la relation entre le mouvement d'un objet et les forces qui agissent sur lui.
Première loi du mouvement de Newton : Loi de l'inertie
Première loi de Newton
Un objet continue d'être dans un état de repos ou de se déplacer avec une vitesse uniforme jusqu'à ce qu'une force extérieure déséquilibrée agisse sur lui.
Ce phénomène est étroitement lié à une propriété inhérente à tout objet doté d'une masse, appelée inertie.
La tendance d'un objet à rester en mouvement ou à conserver son état de repos s'appelle l'inertie.
Voyons un exemple de la première loi de Newton dans la vie réelle.
Fig. 2 - L'inertie fait que tu continues à avancer lorsque la voiture s'arrête soudainement.
Mais qu'en est-il d'un objet initialement au repos ? Que peut nous dire ce principe d'inertie dans ce cas ? Prenons un autre exemple.
Fig. 3 - Le ballon de football reste au repos parce qu'aucune force déséquilibrée n'agit sur lui.
Regarde le ballon de football dans l'image ci-dessus. Le ballon reste au repos tant qu'aucune force extérieure n'agit sur lui. Cependant, si quelqu'un exerce une force en lui donnant un coup de pied, le ballon change d'état de mouvement - il cesse d'être au repos - et commence à bouger.
Fig. 4 - Lorsqu'on donne un coup de pied au ballon, une force agit sur lui pendant un court instant. Cette force déséquilibrée fait sortir le ballon du repos, et après l'application de la force, le ballon a tendance à continuer à se déplacer avec une vitesse constante
Mais attends, la loi dit aussi que la balle continuera à se déplacer à moins qu'une force ne l'arrête. Cependant, nous constatons qu'un ballon en mouvement finit par s'immobiliser après avoir reçu un coup de pied. S'agit-il d'une contradiction ? Non, cela se produit parce qu'il existe de multiples forces, telles que la résistance de l'air et la friction, qui agissent contre le mouvement du ballon. Ces forces finissent par l'arrêter. En l'absence de ces forces, le ballon continuera à se déplacer avec une vitesse constante.
L'exemple ci-dessus montre qu'une force déséquilibrée est nécessaire pour produire un mouvement ou le modifier. N'oublie pas que des forces équilibrées équivalent à l'absence totale de force ! Le nombre de forces qui agissent n'a pas d'importance. Si elles sont équilibrées, elles n'affecteront pas l'état de mouvement du système. Mais comment une force déséquilibrée affecte-t-elle exactement le mouvement d'un objet ? Peut-on le mesurer ? Eh bien, la deuxième loi du mouvement de Newton est là pour ça.
Deuxième loi du mouvement de Newton : Loi de la masse et de l'accélération
Deuxième loi de Newton
L'accélération produite sur un objet est directement proportionnelle à la force qui agit sur lui et inversement proportionnelle à la masse de l'objet.
Fig. 5 - L'accélération provoquée par une force est directement proportionnelle à la force mais inversement proportionnelle à la masse de l'objet.
L'image ci-dessus illustre la deuxième loi de Newton. Puisque l'accélération produite est directement proportionnelle à la force appliquée, le fait de doubler la force appliquée à la même masse entraîne le doublement de l'accélération, comme le montre l'image (b). D'autre part, comme l'accélération est également inversement proportionnelle à la masse de l'objet, le fait de doubler la masse tout en appliquant la même force entraîne une réduction de moitié de l'accélération, comme le montre l'illustration (c).
Rappelle-toi que la vitesse est une quantité vectorielle qui a une grandeur - la vitesse - et une direction. Puisque l'accélération se produit chaque fois que la vitesse change, une force produisant une accélération sur un objet peut.. :
- Changer à la fois la vitesse et la direction du mouvement. Par exemple, une balle de baseball frappée par une batte change sa vitesse et sa direction.
Changer la vitesse alors que la direction reste constante. Par exemple, une voiture qui freine continue de se déplacer dans la même direction mais plus lentement.
Change la direction alors que la vitesse reste constante. Par exemple, la terre se déplace autour du soleil dans un mouvement qui peut être considéré comme circulaire. Alors qu'elle se déplace à peu près à la même vitesse, sa direction change constamment. Cela est dû au fait qu'elle est soumise à la force gravitationnelle du soleil. Les images suivantes illustrent ce phénomène en utilisant une flèche verte pour représenter la vitesse de la terre.
Fig. 6 - La Terre se déplace approximativement à la même vitesse, mais sa direction change constamment en raison de la force gravitationnelle du soleil, décrivant une trajectoire approximativement circulaire.
Formule de la force et du mouvement
La deuxième loi de Newton peut être représentée mathématiquement comme suit :
Note que si plusieurs forces agissent sur le corps, nous devons les additionner pour trouver la force résultante puis l'accélération de l'objet.
La deuxième loi de Newton est aussi très souvent écrite sous la forme. Cette équation stipule que la force nette agissant sur un corps est le produit de sa masse et de son accélération. L'accélération se fera dans la direction de la force qui agit sur le corps. Nous pouvons voir que la masse apparaissant dans l'équation détermine la quantité de force nécessaire pour provoquer une certaine accélération. En d'autres termes, la masse nous indique à quel point il est facile ou difficile d'accélérer un objet. Comme l' inertie est la propriété d'un corps qui résiste à un changement de son mouvement, la masse est liée à l'inertie, et elle en est en quelque sorte la mesure. C'est pourquoi la masse apparaissant dans l'équation est connue sous le nom de masse inertielle .
Lamasse inertielle quantifie la difficulté à accélérer un objet et elle est définie comme le rapport entre la force appliquée et l'accélération produite.
Nous sommes maintenant prêts pour la dernière loi du mouvement.
La troisième loi du mouvement de Newton : Loi de l'action et de la réaction
Troisième loi du mouvement de Newton
Toute action a une réaction égale et opposée. Lorsqu'un corps exerce une force sur un autre (force d'action), le second corps répond en exerçant une force équivalente dans la direction opposée (force de réaction).
Note que les forces d'action et de réaction agissent toujours sur des corps différents.
Fig. 7 - Selon la troisième loi de Newton, lorsqu'un marteau frappe un clou, le marteau exerce une force sur le clou, mais le clou exerce également une force égale sur le marteau dans la direction opposée.
Prends l'exemple d'un charpentier qui enfonce un clou dans une lame de parquet. Disons que le marteau est poussé par une force d'une magnitude de. Considérons cela comme la force d'action. Pendant le petit intervalle où le marteau et le clou sont en contact, le clou réagit en exerçant une force de réaction égale et opposée
sur la tête du marteau.
Qu'en est-il de l'interaction entre le clou et la lame de parquet ? Tu l'as deviné ! Lorsque le clou frappe, exerçant une force sur la planche, cette dernière exerce une force de réaction sur la pointe du clou. Par conséquent, si l'on considère le système clou-planche, la force d'action est exercée par le clou et la réaction par la planche.
Exemples de force et de mouvement
Nous avons déjà vu quelques exemples montrant comment la force et le mouvement sont liés tout en introduisant les lois de Newton. Dans cette dernière section, nous verrons quelquesexemples de force et de mouvement dans la vie de tous les jours .
Il est très intuitif de penser qu'une chose au repos restera au repos à moins qu'une force n'agisse sur elle. Mais n'oublie pas que la première loi de Newton dit aussi qu'un objet en mouvement reste dans le même état de mouvement - même vitesse et même direction - à moins qu'une force ne le modifie. Prends l'exemple d'un astéroïde qui se déplace dans l'espace. Comme il n'y a pas d'air pour l'arrêter, il continue à se déplacer à la même vitesse et dans la même direction.
Et comme nous l'avons mentionné au début de l'article, une fusée est un excellent exemple de la troisième loi de Newton, où les gaz expulsés exercent une force de réaction sur la fusée, produisant ainsi une poussée.
Fig. 8 - Les gaz expulsés par la fusée et la poussée sont un exemple d'une paire de forces d'action-réaction.
Examinons un dernier exemple et essayons d'identifier toutes les lois du mouvement qui s'appliquent à la situation.
Considérons un livre posé sur une table. À ton avis, quelles sont les lois du mouvement qui s'appliquent ici ? Examinons-les toutes ensemble. Même si le livre est au repos, deux forces sont en jeu.
- Le poids du livre l'attire vers le bas, contre la table.
- Selon la troisième loi de Newton, la table réagit à ce poids en agissant sur le livre. C'est ce qu'on appelle la force normale.
Fig. 9 - La table réagit au poids du livre qui l'appuie en exerçant une force normale.
Lorsqu'un objet interagit avec un autre en entrant en contact avec lui, le second objet génère une force de réaction perpendiculaire à sa surface. Ces forces, perpendiculaires aux surfaces des objets en interaction, sont appelées forces normales.
Pour en revenir à notre exemple, comme les forces qui agissent sur le livre sont équilibrées, la force résultante est nulle. C'estpourquoi le livre reste au repos et il n'y a pas de mouvement. Si maintenant, une force extérieure poussait le livre vers la droite, selon la deuxième loi de Newton, il accélérerait dans cette direction parce que cette nouvelle force est déséquilibrée.
Fig. 10 - Le livre reste au repos parce qu'aucune force déséquilibrée n'agit sur lui.
Force et mouvement - Points clés à retenir
- Une force peut être définie comme une poussée ou une traction qui agit sur un objet.
- La force est une quantité vectorielle. Elle est donc définie en spécifiant sa magnitude et sa direction.
- La force résultante ou nette est une force unique qui a le même effet que deux ou plusieurs forces indépendantes lorsqu'elles agissent ensemble sur le même objet.
- La première loi du mouvement de Newton est également appelée loi de l'inertie. Elle stipule qu'un objet continue d'être au repos ou de se déplacer à une vitesse uniforme jusqu'à ce qu'une force extérieure déséquilibrée agisse sur lui.
- La tendance d'un objet à rester en mouvement ou à conserver son état de repos s'appelle l'inertie.
- La deuxième loi du mouvement de Newton stipule que l'accélération produite par un objet en mouvement est directement proportionnelle à la force qui agit sur lui et inversement proportionnelle à la masse de l'objet.
- Lamasse inertielle est une mesure quantitative de l'inertie d'un objet et peut être calculée comme le rapport entre la force appliquée et l'accélération d'un objet,
.
La troisième loi de Newton sur le mouvement stipule que toute action a une réaction égale et opposée.
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