Les forces et le bilan des forces

Dans le module 1, tu as décrit des mouvements sans te demander pourquoi ils se produisent. Maintenant, on passe aux causes. Ce qui modifie un mouvement, ce sont les forces. Avant d'appliquer les lois de Newton, il faut savoir faire l'inventaire de toutes les forces qui agissent sur un objet, sans en oublier et sans en inventer. C'est le bilan des forces. Dans cette leçon, tu vas rencontrer les forces que tu retrouveras partout : le poids, la réaction d'un support, les frottements, la tension d'un fil et la poussée d'Archimède.

Une force, c'est la façon dont le physicien modélise une action exercée sur un objet par un autre objet. On la représente par un vecteur, avec une direction, un sens et une valeur, qu'on exprime en newtons. Il y a deux grandes familles. Les actions de contact, d'abord : une main qui pousse une brouette, une corde qui tire un seau, le sol qui soutient tes pieds. Les actions à distance, ensuite : la Terre qui attire une mangue qui tombe, un aimant qui attire un clou. Pose-toi toujours la question : qui agit sur qui ? Si tu ne trouves pas l'auteur d'une force, c'est qu'elle n'existe pas.

Le poids est l'attraction de la Terre sur un objet. Il est vertical, dirigé vers le bas, et sa valeur vaut la masse multipliée par g. Pour les calculs de référence, les métrologues utilisent une valeur conventionnelle exacte : neuf virgule huit zéro six six cinq mètres par seconde au carré. En réalité, g varie un peu selon le lieu : il est légèrement plus faible à l'équateur qu'aux pôles, et diminue avec l'altitude. Ne confonds pas masse et poids. Un sac de riz de vingt-cinq kilos a la même masse à Conakry et sur la Lune, mais son poids, environ deux cent quarante-cinq newtons sur Terre, serait six fois plus faible là-haut.

Quand un objet est posé sur un support, une table, une route, une rampe, le support exerce sur lui une force qu'on appelle la réaction. On la décompose en deux parties. La composante normale, perpendiculaire à la surface, empêche l'objet de s'enfoncer. La composante tangentielle, parallèle à la surface, c'est le frottement. Attention à une erreur fréquente : la réaction normale n'est pas toujours égale au poids. Sur une pente, elle vaut m g cosinus de l'angle. Dans un ascenseur qui démarre vers le haut, elle est plus grande que le poids. On la calcule toujours à partir des lois de Newton, jamais par habitude.

Les lois du frottement solide, dites lois de Coulomb, sont simples. Tant que l'objet ne glisse pas, le frottement s'adapte pour l'empêcher de bouger, jusqu'à une limite : mu s fois N, où mu s est le coefficient de frottement statique. Au-delà, l'objet glisse, et le frottement vaut alors mu d fois N, dirigé contre le glissement. Mu d est en général un peu plus petit que mu s. C'est pour cela qu'une armoire lourde est difficile à mettre en mouvement, puis un peu plus facile à pousser une fois lancée. Ces coefficients dépendent des matériaux et de l'état des surfaces, par exemple une route sèche ou mouillée.

Un fil, une corde ou un câble tendu exerce sur l'objet accroché une force qu'on appelle la tension. Elle est dirigée le long du fil, et elle tire toujours vers le fil : une corde ne peut pas pousser. On utilise souvent le modèle du fil idéal, sans masse et inextensible. Dans ce modèle, la tension a la même valeur tout le long du fil, même s'il passe sur une poulie sans frottement. Pense à Fatoumata qui remonte un seau d'eau dans un puits à Siguiri. Si le seau monte à vitesse constante, la tension de la corde est égale au poids du seau plein. Si elle tire plus fort, le seau accélère.

Tout objet plongé dans un fluide, liquide ou gaz, reçoit une force verticale dirigée vers le haut : la poussée d'Archimède. Sa valeur est égale au poids du fluide déplacé, c'est-à-dire la masse volumique du fluide fois le volume immergé fois g. Prenons une pirogue chargée de mille cinq cents kilos au total qui flotte au port de pêche. À l'équilibre, la poussée compense exactement le poids. L'eau de mer a une masse volumique d'un peu plus de mille kilos par mètre cube, donc la pirogue déplace environ un virgule cinq mètre cube d'eau. Si on la charge davantage, elle s'enfonce jusqu'à déplacer assez d'eau.

Voici une méthode qui ne te trahira jamais. D'abord, définis clairement le système : le seau, la pirogue, la balle. Ensuite, liste les forces à distance, en pratique le poids dans ce parcours. Puis fais le tour du système et note chaque contact : un support donne une réaction, un fil donne une tension, un fluide donne une poussée d'Archimède et parfois un frottement. Pour chaque force, écris qui agit sur qui. Enfin, dessine toutes les forces sur un schéma propre. Avec ce bilan, tu es prêt pour la prochaine leçon : les trois lois de Newton.