Physique & Chimie au lycée

Cours de physique-chimie pour les classes de 1ère et Terminale

Sommaire
SP-1 ES-1
SP-T ES-T
3e SNT
Divers Annales

P3. Forces & interactions

En physique, l’action d’un objet sur un autre est la force qu’il exerce sur lui. Ces forces permettent d’expliquer et de prévoir le mouvement d’un objet, mais aussi d’expliquer un état d’équilibre.

Interactions

  • Identifier les actions mises en jeu (de contact ou à distance) et les modéliser par des forces.
  • Force : direction, sens et valeur.

Un objet peut exercer une action sur un autre objet s’il est en contact avec ce dernier. Mais il existe aussi des actions qui peuvent se faire à distance, sans contact : l’attraction gravitationnelle en est une (nous y reviendrons plus en détails au paragraphe suivant). Il y a également l’interaction électrique entre deux objets électriquement chargés (nous n’en reparlerons plus dans ce chapitre).

Le mieux est d’étudier quelques cas concrets.

Objet immobile posé sur un support solide

Imaginons une tasse de thé posée sur une table. Quelles actions subit-elle ?

Tasse de thé posée sur un support
Réponse
  • La tasse est attirée par la Terre. La Terre exerce sur elle une action appelée attraction gravitationnelle. Cette action est une action à distance car la tasse n’a pas besoin d’être en contact avec la Terre pour la subir.
  • Elle subit également l’action du support (la table), qui l’empêche de tomber. Cette action est une action de contact (si la tasse n’est pas en contact avec la table, elle ne subit aucune action de sa part (et elle tombe ! 😁)
  • La tasse est également en contact avec l’air. Mais, à moins qu’il fasse grand vent, son action est négligeable sur la tasse.

Actions sur des objets immobiles

Dans les trois situations ci-dessous, faites l’inventaire des actions que subit le sujet de la photo.

Bateau sur l’eau
Balai contre un mur
Montgolfière en vol
Cerf-volant en vol

Forces

L’action d’un objet sur un autre est appelée, en physique, une force. Pour décrire une force, il faut non seulement donner la valeur de son intensité, mais aussi son orientation.

Lorsque vous promenez votre chien, celui-ci peut parfois tirer sur sa laisse. Il exerce donc sur vous une force (par l’intermédiaire de la laisse).

Pour décrire cette action, il faut préciser s’il tire plus ou moins fort (c’est l’intensité de la force), mais aussi dans quelle direction il tire.

C’est un peu comme le cas de la vitesse, que nous avons vue au chapitre précédent. Pour décrire une vitesse, il faut préciser sa valeur et l’orientation du mouvement. Nous devons alors utiliser un vecteur pour décrire une force.

Un vecteur est défini par sa norme (sa « longueur »), sa direction (qui est la droite définie par le vecteur) et son sens (qui indique dans quelle direction pointe le vecteur).

La valeur d’une force, c’est-à-dire son intensité, s’exprime en newton (symbole : N).

Pour vous aider à vous représenter les choses, lorsque vous porter un objet de 1 kg, celui-ci exerce sur votre main une force d’intensité 10 N, orientée verticalement vers le bas.

Forces sur des objets immobiles

Dans le cas de la barque et de la montgolfière de l’exercice précédent, donner la direction et le sens des forces s’exerçant sur les objets considérés.

Attraction gravitationnelle

  • Exploiter l’expression littérale scalaire de la loi de gravitation universelle.
  • Force de pesanteur et son expression $* P = mg *$

Dans l’Univers, tous les objets matériels (c’est-à-dire les objets qui ont une masse  un atome, vous, une planète…) s’attirent les uns les autres. Cette attraction est appelée l’interaction gravitationnelle.

Il s’agit d’une interaction car elle est réciproque : la Terre vous attire, mais vous attirez également la Terre ! 😊
Bien sûr, comme la Terre est plus plus massive que vous, votre attraction n’a qu’un effet négligeable sur elle. Mais elle existe !

Loi de gravitation universelle

Isaac Newton, un des plus grands physiciens de l’Histoire, a découvert l’expression mathématique qui permet de calculer la valeur de cette attraction. Il a publié cette loi dans un livre intitulé Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica en 1687.

Si on a deux objets A et B assimilabless à des points, de masse $*m_A*$ et $*m_B*$ et distance de $*d*$, alors ils exercent l’un sur l’autre une force d’attraction gravitationnelle d’intensité :

$µ F = \frac {Gm_Am_B}{d^2} µ$ $*F*$ : intensité de la force (N)
$*G*$ : constante de gravitation universelle
$*m_A*$ et $*m_B*$ : masse des objets (kg)
$*d*$ : distance entre les objets (m)

La constante de gravitation universelle est valable dans l’Univers entier est vaut 6,67·10-11 dans le système international d’unité.

Isaac Newton (1643 – 1727)

Loi de gravitation universelle

En termes d’effets gravitationnel, un corps sphérique telle qu’une planète ou une étoile peut être assimilé à un point qui correspond à son centre et qui concentre toute la masse du corps.

Données
  • Masse de la Terre : $*M_T*$ = 6,0·1024 kg
  • Masse de la lune : $*M_L*$ = 7,3·1022 kg
  • Rayon de la Terre : $*R_T*$ = 6400 km
  • Rayon de la Lune : $*R_L*$ = 1740 km

1. Calculer la force que la Terre exerce sur un objet A ponctuel ayant une masse $*m_A*$ = 1,0 kg, situé à la surface de la Terre. Quelle est la direction et le sens de cette force ? Quelle est la valeur de la force que cet objet exerce sur la Terre ?

2. On place à une distance $*d*$ = 1,0 m de cet objet A un autre objet B de masse $*m_B*$ = 1,0 kg. Calculer la force qu’exercent l’un sur l’autre les objets A et B. Comparer cette force à celle que la Terre exerce sur cet objet et conclure.

3. Calculer la force que la Lune exercerait sur l’objet A s’il était placé à sa surface. Comparer cette force à celle que la Terre exerce sur cet objet à sa surface et conclure.