Cours : Interactions et forces

Les interactions entre les objets

Avant d’aborder les interactions, il est important de comprendre ce que l’on appelle un système.

Définition

Système :

Un système est l’objet ou l’ensemble des objets étudié(s).
Ainsi, définir un système revient à définir une frontière. Un système est défini de manière arbitraire en fonction des besoins de l’expérience à décrire ou de la théorie énoncée.

Ce terme est à comprendre au sens large : il peut s’agir d’une planète, du Système solaire qui comprend plusieurs corps, d’une voiture qui roule, ou d’un atome avec ses protons et ses électrons.

Les systèmes que nous aborderons dans ce chapitre seront limités à un objet ou à une personne.

Dans notre quotidien, il faut savoir qu’un objet ou une personne peut être soumis à différentes actions mécaniques.

Définition

Action mécanique :

En physique, lorsqu’un objet agit sur un autre, on parle d’action mécanique ou plus simplement d’action.

Exemple

• Le vent exerce une action sur le voilier car il lui permet d’avancer.
• Une table exerce une action sur une assiette car elle lui évite de tomber.
• La Terre exerce une action sur une pomme qui tombe d’un arbre.
• Un footballeur qui fait une tête et dévie le ballon vers son partenaire exerce aussi une action mécanique.

Nous comprenons bien au travers de ces exemples qu’une action peut avoir plusieurs effets sur l’objet étudié :

• une mise en mouvement (exemples du voilier ou de la pomme) ;
• un maintien en équilibre (exemple de l’assiette sur la table) ;
• une modification du mouvement (cas du footballeur).

Dans un système on étudie les objets et les interactions entre ceux-ci.

Définition

Interaction :

Une interaction implique que deux objets exercent une action l’un sur l’autre.

Il existe deux formes d’interactions ou d’actions mécaniques :

• l’interaction de contact : les objets qui sont en interaction se touchent ;
• l’interaction à distance : les objets qui interagissent sont éloignés.

Exemple

Si on lance une bille, la main exerce une interaction de contact sur la bille. La Terre exerce une interaction à distance sur tous les objets terrestres et fait retomber la bille.

Dans la partie suivante, nous allons résumer les différentes interactions qui agissent sur un objet au moyen d’un diagramme objet-interaction.

Le diagramme objet-interaction

Définition

Diagramme objet-interaction (ou DOI) :

Un diagramme objet-interaction permet de faire l’inventaire de l’ensemble des interactions dans lequel est impliqué le système étudié.

Un DOI se construit selon les trois étapes ci-dessous :

• Préciser le système étudié et placer son nom dans une bulle.
• Faire l’inventaire de tous les objets qui interagissent avec le système étudié.
• Relier ces objets au système étudié par une double flèche. La double flèche sera en trait plein s’il s’agit d’une action de contact. Elle sera en pointillés si c’est une action à distance.

Exemple

Étudions un livre posé sur une table. Le système étudié est le livre. Ce livre est soumis à deux actions :

• l’attraction de la Terre qui se fait à distance ;
• et l’action de la table qui l’empêche de tomber.

Pour terminer, nous allons présenter les quatre caractéristiques d’une action mécanique, puis nous expliquerons comment représenter une action par un segment fléché (ou vecteur) que l’on appelle « force ».

Les forces

Définition

Lorsque l’on étudie un objet, on s’intéresse aux actions mécaniques qui s’exercent sur lui. On représente visuellement ces actions mécaniques par des segments fléchés que l’on appelle forces.

Définition

Force :

Une force représente l’action d’un corps sur un autre. On modélise celle-ci par une flèche, que l’on appelle vecteur.

Une force n’a pas de réalité physique, il s’agit simplement d’un outil mathématique pour représenter l’interaction.

Les caractéristiques d’une force

À retenir

Une force possède les quatre caractéristiques suivantes :

• une direction, elle suit une droite d’action ;
• un sens, une droite a deux sens possibles ;
• un point d’application ;
• une valeur exprimée en newton $(\text{N})$.

La valeur d’une force se mesure avec un dynamomètre. L’unité de mesure est le newton (symbole : $\text{N}$).

Étudions les caractéristiques des forces exercées sur le système d’une balle lancée.
La première force que l’on peut relever est l’attraction de la Terre sur la balle, on appelle cette interaction le poids que l’on note généralement $\vec P$.
Ici, pour mieux comprendre les interactions entre les objets, on la note $\vec{F}_{\text{Terre/balle}}$ :

• sa direction est une droite verticale ;
• son sens est orienté vers le bas ;
• le point d’application est au centre de la balle.

La seconde est la force exercée par la main sur la balle notée $\vec{F}_{\text{main/balle}}$ :

• sa direction est inclinée ;
• son sens est orienté vers le haut ;
• son point d’application est au bord de la balle.

Représentation des forces par un segment fléché

Le segment fléché, également appelé vecteur, permet de modéliser les quatre caractéristiques de la force sur un schéma. En effet :

• son origine correspond au point d’application de la force ;
• sa direction illustre sa droite d’action ;
• sa flèche, au bout du segment, correspond au sens de la force ;
• sa longueur est proportionnelle à la valeur de la force grâce au choix d’une échelle appropriée.

Étudions la représentation des forces exercées sur un pendule pendu au bout d’un fil.
Le système que nous étudions est le pendule.
Construisons le DOI qui résume les différentes actions.

À propos de la notation de ces forces :

• $\vec{F}_{\text{Terre/pendule}}$ illustrera l’attraction exercée par la Terre sur le pendule, soit le poids (en rouge sur schéma) ;
• $\vec{F}_{\text{fil/pendule}}$ représente la tension exercée par le fil sur le pendule (en bleu sur le schéma).

Cette force, de même valeur que le poids, permet au pendule d’être en équilibre. Pour représenter deux forces qui ont la même valeur on trace des vecteurs de même longueur.

• Un objet soumis à deux forces est en équilibre si ces deux forces ont la même direction, la même valeur, mais un sens opposé.