Dans cet article, nous allons parler des forces. Parce que finalement, c’est quoi une force physique ? L’action de mes muscles quand je tente un bras de fer contre mon frère ? Mouais, ça m’étonnerait (et pourtant je mets les deux mains !). En fait, une force dans l’idée, c’est tout simple : c’est l’interaction d’un objet sur un autre. Mais tu vas voir, il y a de nombreuses forces, et de nombreuses distinctions à faire : on va tout t’expliquer dans cet article !
Et si tu es curieux d’en savoir plus sur la théorie de la relativité et les forces gravitationnelles ? Nos professeurs particuliers de physique en ligne sont là pour t’éclairer ! 🚀
La mécanique classique 🏒
La mécanique la plus souvent utilisée à notre échelle est la mécanique Newtonienne.
Dans cette branche de la physique, les vecteurs force sont matérialisés par un flèche et possèdent des propriétés définies :
- une direction : ligne tracée par la flèche dans l’espace
- un sens : endroit vers lequel pointe la flèche
- une norme (ou intensité) : longueur de la flèche
- un point d’application : point d’ancrage de la flèche
Ici par exemple un vecteur force F1 de direction horizontale, avec un sens allant de la gauche vers la droite, une norme F1 = 10cm et un point d’ancrage O.
Bon, très bien. On fait quoi maintenant ?
Maintenant, on applique le Principe Fondamental de la Dynamique (PDF pour les intimes). Il stipule que la somme des forces nécessaires pour accélérer un objet est le produit de sa masse et de son accélération :
EF = ma
Grâce à ce principe, on peut étudier le mouvement dynamique d’un solide, souvent modélisé par un ressort.
Ce modèle est aussi utilisé pour étudier des circuits élections ou bien en spectroscopie pour étudier les vibrations des molécules par exemple.
Il existe un phénomène de résonance où le mouvement s’amplifie lorsque l’on se place à un certaine fréquence de vibration du ressort. C’est rigolo pour une balançoire. C’est nettement moins rigolo pour un pont.
On peut également étudier la déformation et la réstistance des matériaux. Parce qu’un ressort c’est bien beau, mais si on l’étire trop, ça s’étend, et si on continue, ça casse. Mais ce genre de choses, ça devient très vite salissant ! 😉
Il y a certaines interactions que la mécanique classique ne permet pas d’expliquer, et notamment le champ gravitationnel. Ce dernier est expliqué par la théorie de la relativité.
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La relativité, késako ? 🌍
La théorie explique notamment les marées, l’orbite des planètes autour du Soleil….
Elle est régie par la loi de la gravitation universelle, découverte par Isaac Newton. Elle décrit le champ gravitationnel comme une force attractive entre plusieurs des corps massifs, sous l’effet de leur masse, ce qui donne mathématiquement :
FA/B = FB/A = G (MaMb)/d²
Cette relation est le socle de la théorie de la relativité restreinte. Développée par Albert Einstein, elle devient la relativité générale.
Pour Albert Einstein, la gravitation n’est pas une force mais la manifestation de la courbure de l’espace-temps : il étend donc le principe de relativité à des référentiels non inertiels (ou non galiléens).
Ok, ok, mais ça signifie quoi concrètement ?
Ça veut dire que le référentiel n’est pas le même selon le point de vue de l’observateur.
Sur l’image :
- un observateur placé au centre de la Terre voit la trajectoire rouge (situation fort peu probable, à moins que tu sois un tatou ?)
- un observateur placé à la surface de la Terre sur le point jaune voit la trajectoire bleue
Dans le second cas, l’observateur a changé de position par rotation par rapport au centre de la Terre (référentiel inertiel) : il s’agit d’une accélération centripète (vers le centre), aussi appelée force de Coriolis.
Il existe d’autres forces fictives comme par exemple la force centrifuge : c’est la force qui fait dévier la trajectoire d’une voiture vers l’extérieur dans un tournant.
✏️ Pour résumer, lorsque l’observateur est en mouvement, le PFD n’est vérifié qu’en ajoutant des forces fictives appelées forces d’inertie. L’inertie, c’est la tendance d’un corps à conserver sa vitesse. Elle matérialise le mouvement du référentiel non inertiel par rapport à un référentiel inertiel.
Cette théorie de la relativité générale permet de prévoir des effets comme l’expansion de l’Univers, les ondes gravitationnelles et les trous noirs.
Mais ce modèle a des limites. Si la matière et l’énergie sont différenciées, le temps et l’espace ne le sont pas. Or, il existe une autre théorie, plus récente, où la matière et l’énergie sont indifférenciées, mais où le temps et l’espace ne le sont pas.
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La mécanique quantique👇🏼
À l’échelle atomique, la mécanique quantique permet de décrire le comportement des particules élémentaires (c’est-à-dire insécables) classifiées selon ce que l’on appelle le modèle standard.
Pourquoi quantique m’dame ?
Car la matière est quantifiée par le photon d’énergie E = hV. C’est la fameuse dualité onde-corpuscule, qui est l’un des principes fondamentaux de la mécanique quantique.
Et pourquoi est-ce qu‘on veut quantifier l‘énergie ?
« Rien ne se perd, rien ne se crée, tout se transforme », ça te rappelle quelque chose ? En montrant que le molécules sont des corps composés, Lavoisier énonce la loi de la conservation de la matière. Mais en réalité lorsque l’on travaille à une échelle atomique la masse totale des réactifs est légèrement supérieure à celle des produits. Cette perte correspond parfaitement au gain d’énergie qui rayonne sous forme de lumière, de chaleur, etc…
Finalement, la mécanique quantique a permis de développer trois des quatre relations fondamentales de l’univers, de la plus forte à la moins forte :
- l’interaction forte qui lie les composants des noyaux atomiques entre eux, transportée par les gluons.
- l’interaction électromagnétique qui régit les phénomènes lumineux, électriques et magnétiques selon les forces attractives (+/-) ou répulsives (-/- ou +/+), transportées par le photon.
- l’interaction faible à l’origine de certaines formes de radioactivité, transportée par les bosons.
- l’interaction gravitationnelle, comme nous l’avons vu, est expliquée par la relativité générale.
💡 Remarque
On peut faire l’analogie entre la force gravitationnelle de Newton dont l’expression est : FA/B = FB/A = G (MaMb)/d² avec l’interaction électromagnétique régie par la loi de Coulomb : |F| = 1/(4piE0) |q1q2|/d². Cette dernière est notée sous forme de module car elle peut être attractive ou répulsive, contrairement à la force gravitationnelle qui est uniquement attractive.
De nombreux physiciens cherchent à unifier mécanique quantique et relativité générale grâce à la théorie du modèle standard.
Parmi les hypothèses actuelles, on retrouve le postulat selon lequel l’interaction gravitationnelle serait transportée par une particule élémentaire appelée graviton. Cependant, son existence reste hypothétique car cette particule n’a pas encore été observée à ce jour.
Voilà, cet article est fini, on espère que les principales forces en Physique sont plus claires pour toi ! 😉
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