Rappels de physique: Forces
Forces
Force & énergie
En physique, on utilise la notion de force ou d’énergie pour modéliser les interactions entre les éléments.
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L’énergie est définie comme la capacité d’un élément à “travailler” sur un autre élément — ce peut être déplacer, chauffer, etc. Un élément possédant de l’énergie peut appliquer une force, un objet appliquant une force dépense de l’énergie.
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Une force est définie comme une interaction qui, sans opposition, modifie la vitesse d’un objet — ce qui inclut de passer d’un état de repos à un mouvement, d’accélérer ou de décélérer un objet.
Énergie
L’énergie se présente sous diverses formes: l’énergie de la lumière du soleil, l’énergie chimique des aliments que l’on mange, l’énergie électrique des prises de courant, etc. L’énergie génère de la force. Quelle que soit sa forme, l’énergie peut exister sous deux états: potentielle lorsqu’elle est stockée, et cinétique lorsqu’elle est utilisée pour le mouvement.
Par exemple, si vous étirez un élastique, l’élastique a un potentiel d’énergie élastique: tant que vous le gardez étiré, il ne fait rien. Quand vous le relâchez, l’énergie potentielle est convertie en énergie cinétique — l’élastique est propulsé en avant avec une force que l’on peut mesurer.
Forces fondamentales
Il existe 4 forces fondamentales:
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la force gravitationnelle.
C’est la force d’attraction qui agit sur les éléments ayant une masse.
C’est la plus faible des quatre forces, mais aussi celle qui a la plus grande portée. -
la force électromagnétique.
C’est la force d’attraction/de répulsion entre qui agit sur les éléments chargés positivement ou négativement. -
la force nucléaire forte.
C’est la force qui cimente les nucléons dans le noyaux. -
la force nucléaire faible.
C’est la force qui permet aux neutrons de se transformer en protons quand les conditions s’y prêtent — et vice versa.
Il existe différentes formules pour les différentes forces afin de calculer la vitesse de déplacement engendrée. Ces formules se ressemblent, à quelques constantes près, ce qui mène à penser que ces forces en apparence fondamentales sont en fait une seule et unique force.
Bien que plus d’un physicien s’y soit attaqué, la théorie de l’unification des forces ou théorie du tout n’a pas encore été découverte — principalement en raison de l’impossibilité de trouver une description de la gravitation qui soit compatible avec le modèle standard de la physique des particules.
Autres forces
Toutes les forces de la nature découlent de ces quatre interactions fondamentales.
Par exemple, la friction est une manifestation de la force électromagnétique agissant entre les atomes de deux surfaces, et du principe d’exclusion de Pauli, qui empêche des atomes de se traverser mutuellement.
De la même manière, la force des ressorts est une manifestation de la force électromagnétique et de la loi de Hooke, qui agit pour ramener un élément à sa position d’équilibre.
Unités
Unités fondamentales
De la même manière que l’argent est exprimée dans une devise donnée (comme le dollar par exemple), un phénomène physique est exprimé dans une unité donnée. On peut comparer des observations lorsqu’elles sont exprimées dans la même unité.
Il existe 7 unités fondamentales, définies par le Système International d’unité (SI):
| Unité | Quantifie |
|---|---|
| le mètre (m) | la longueur (l) |
| le kilogramme (kg) | la masse (m) |
| la seconde (s) | le temps (t) |
| l’ampère (A) | le courant électrique (i) |
| le kelvin (K) | la température (T) |
| le mole (mol) | la quantité de mantière (n) |
| la candela (cd) | l’intensité lumineuse (lv) |
Chacune de ces unités est définie à partir d’un phénomène physique de base. Par exemple, la première définition du mètre était la longueur d’un pendule qui oscille avec une demi-période d’une seconde. De même, il existe un objet de référence pour définir la valeur “1 kg”.
Unités de base du Système international
De ces unités de base on déduit des unités dérivées. Par exemple le Hertz (Hz) mesure la fréquence, c’est à dire le nombre de fois qu’un phénomène périodique se reproduit par seconde.
Unités dérivées du Système international
Vitesse: m/s
Le mètre par seconde (m/s) est l’unité qui mesure la vitesse d’un objet.
Par exemple, si un objet parcourt 5 mètres en 5 secondes, alors il a une vitesse de 1 mètre par seconde (1 m/s).
Note: Pour passer des km/h au m/s, il faut diviser par 3,6.
Accélération: m/s²
Le mètre par seconde carrée (m/s²) est l’unité qui mesure l’accélération de la vitesse d’un objet.
Par exemple, si à partir d’un état de repos, un objet atteint la vitesse de 5 m/s après 5 secondes et 10 m/s après 10 secondes, alors il subit une accélération constante de un mètre par seconde carrée (1 m/s²).
L’accélération moyenne est calculée en divisant la vitesse (m/s) par le temps (s):
Force: N
Le Newton (N) est l’unité qui mesure la force appliquée à quelque chose.
Si vous poussez un objet, cela s’exprime en Newton.
Par définition, 1 Newton est la quantité de force nécessaire pour accélérer une masse de 1 Kilogramme à raison d’un mètre par seconde carrée, dans la même direction que la force appliquée.
Newton (N) = Kg ⋅ m / s2
= Kg ⋅ m ⋅ s-2
Par exemple, si vous posez un objet de 100 grammes sur une table (ou n’importe quelle surface), cette objet exerce une force de 0.1 kg fois la force de gravité de la terre (10 m/s²), ce qui vaut 1 Newton.
0.1 Kg ⋅ 10 m/s² = 1 N
Si vous posez une barre de Snicker de 50 grammes sur la paume de votre main, la barre de Snicker pousse votre paume vers le bas avec 0.5 N. Vous pouvez sentir cette force, c’est très petit.
Énergie: J
Le Joule (J) est l’unité qui mesure l’énergie.
Par définition, 1 Joule est la quantité d’énergie dépensée lorsqu’une force d’1 Newton est appliquée sur une distance d’1 mètre.
Joule (J) = N ⋅ m
= Kg ⋅ m² ⋅ s-2
Par exemple, si vous posez un bloc de beurre de 100 grammes sur une table, il exerce une force de 1 N. Si vous appliquez une force opposée de 1 Newton — vous le soulevez — jusqu’à ce qu’il atteigne la hauteur d’un mètre, alors cette action a pris un Joule d’énergie. Et ce, quelle que soit la durée que ça a pris.
How Much Energy Is 1 Joule (Easy Analogy)
Autre exemple, si une personne pousse un chariot avec une force de 1 Newton, lorsqu’il aura atteint une distance d’un mètre, il aura dépensé un Joule d’énergie. Ici, on part du principe que cette force est appliquée sur l’axe horizontal x. Si la force est appliquée avec un angle, alors une partie de l’énergie dépensée a été dissipée en énergie thermique (à cause de la friction). Cette perte doit être prise en compte pour calculer l’énergie dépensée en fonction de la force: il faut multiplier par le cosinus de l’angle.
1 J × cos 60° = 1 J × 0.5 = 1.5 J