Vue d’ensemble
La physique définit la force comme une influence qui modifie le mouvement d’un corps, qu’il s’agisse d’un mouvement externe ou d’un mouvement à l’intérieur du corps, tel qu’un changement de forme. Par exemple, lorsqu’une pierre est libérée, elle tombe parce qu’elle est tirée par la force de gravité de la Terre. Pendant l’impact, il plie les brins d’herbe sur lesquels il tombe — la force du poids de la pierre les fait bouger et changer de forme.
La force est un vecteur, ce qui signifie qu’elle a une direction. Lorsque plusieurs forces agissent sur un objet et le tirent dans des directions différentes, ces forces peuvent être en équilibre, ce qui signifie que leur somme vectorielle est nulle. Dans ce cas, l’objet serait au repos. La pierre de l’exemple précédent peut rouler après avoir heurté le sol, mais elle finira par s’arrêter. La force de gravité le tire toujours vers le bas, mais en même temps la force normale, ou force de réaction au sol, pousse la pierre vers le haut. La somme nette de ces forces est nulle, elles sont en équilibre et la pierre ne bouge pas.
L’unité de force SI est le newton. Un newton correspond à la force nette qui accélère un objet d’une masse d’un kilogramme d’un mètre par seconde au carré.
Équilibre
L’un des premiers scientifiques à étudier les forces et à créer un modèle de leur interaction avec la matière dans l’univers était Aristote. Selon son modèle, si la somme vectorielle nette des forces agissant sur un objet est nulle, les forces sont à l’état d’équilibre et l’objet est stationnaire. Ce modèle a ensuite été corrigé pour inclure les objets se déplaçant à une vitesse constante lorsque les forces sont en équilibre. Ce type d’équilibre est appelé équilibre dynamique, tandis que celui avec l’objet au repos est appelé équilibre statique.
Forces fondamentales dans l’Univers
Les forces dans la nature provoquent le déplacement ou le maintien des objets. Il y a quatre forces fondamentales dans la nature: forte, électromagnétique, faible et gravitationnelle. Toutes les autres forces sont des sous-ensembles de ces quatre. Contrairement aux forces électriques et gravitationnelles, les forces fortes et faibles affectent la matière uniquement au niveau nucléaire. Ils ne fonctionnent pas sur de grandes distances.
Force forte
La force forte est la plus forte des quatre forces. Il agit sur les éléments du noyau de l’atome, maintenant les neutrons et les protons ensemble. Cette force est portée par les gluons et lie les quarks ensemble pour former des particules plus grosses. Les quarks forment des neutrons, des protons et d’autres particules plus grosses. Les gluons sont des particules élémentaires plus petites, qui n’ont pas de sous-structure, et se déplacent entre les quarks en tant que porteurs de force. Le mouvement des gluons crée une forte force entre les quarks. C’est la force qui compose la matière dans l’univers.
Force électromagnétique
La force électromagnétique est la deuxième force la plus forte. C’est une interaction entre des particules avec les charges électriques opposées ou identiques. Lorsque deux particules ont la même charge, c’est-à-dire qu’elles sont toutes les deux positives ou toutes les deux négatives, elles se repoussent. Si, au contraire, ils ont la charge opposée, où l’un est positif et l’autre négatif, ils sont attirés l’un vers l’autre. Ce mouvement de particules, qui sont repoussées ou attirées par d’autres particules, est l’électricité — un phénomène physique que nous utilisons dans notre vie quotidienne et dans la plupart des technologies.
La force électromagnétique peut expliquer les réactions chimiques, la lumière et l’électricité, ainsi que les interactions entre molécules, atomes et électrons. Ces interactions entre particules sont responsables des formes que prennent les objets solides dans le monde. La force électromagnétique empêche deux objets solides de s’imprégner l’un de l’autre car les électrons d’un objet repoussent les électrons de la même charge de l’autre objet. Historiquement, les forces électriques et magnétiques ont été traitées comme des influences distinctes, mais finalement, il a été découvert qu’elles sont liées. La plupart des objets ont une charge neutre, mais il est possible de changer la charge d’un objet en frottant deux objets ensemble. Les électrons voyageront entre les deux matériaux, étant attirés par les électrons chargés de manière opposée dans l’autre matériau. Cela laissera plus d’électrons de même charge à la surface de chaque objet, modifiant ainsi la charge dominante de l’objet dans son ensemble. Par exemple, si l’on frotte les cheveux avec un pull, puis soulève le pull, les cheveux se lèveront et « suivront » le pull. En effet, les électrons à la surface des cheveux sont plus attirés par les atomes à la surface du pull que les électrons à la surface du pull ne sont attirés par les atomes à la surface des cheveux. Les cheveux ou d’autres objets chargés de la même manière seront également attirés par les surfaces chargées de manière neutre.
Force faible
La force faible est plus faible que la force électromagnétique. Tout comme les gluons portent la force forte, les bosons W et Z portent la force faible. Ce sont des particules élémentaires qui sont émises ou absorbées. Les bosons W facilitent le processus de désintégration radioactive, tandis que les bosons Z n’affectent pas les particules avec lesquelles ils entrent en contact, à part le transfert de l’élan. La datation au carbone, un processus de détermination de l’âge de la matière organique, est possible en raison de la force faible. Il est utilisé pour établir l’âge des artefacts historiques et est basé sur l’évaluation de la désintégration du carbone présent dans cette matière organique.
Force gravitationnelle
La force gravitationnelle est la plus faible des quatre. Il maintient les objets astronomiques dans leur position dans l’univers, est responsable des marées et fait tomber les objets au sol lorsqu’ils sont relâchés. C’est la force qui agit sur les objets, les attirant les uns aux autres. La force de cette attraction augmente avec la masse de l’objet. Comme les autres forces, on pense qu’elles sont médiées par des particules, des gravitons, mais ces particules n’ont pas encore été détectées. La gravitation affecte la façon dont les objets astronomiques se déplacent, et le mouvement peut être calculé, en fonction de la masse des objets environnants. Cette dépendance a permis aux scientifiques de prédire l’existence de Neptune en observant le mouvement d’Uranus avant que Neptune ne soit vue dans le télescope. C’était parce que le mouvement d’Uranus était incompatible avec son mouvement prédit, basé sur les objets astronomiques connus à l’époque, donc les scientifiques ont déduit qu’une autre planète, encore invisible, devait affecter ses schémas de mouvement.
Selon la théorie de la relativité, la gravité modifie également le continuum de l’espace-temps, l’espace à quatre dimensions, dans lequel tout, y compris les humains, existe. Selon cette théorie, la courbure de l’espace-temps augmente avec la masse, et à cause de cela, il est plus facile de le remarquer avec des objets aussi gros que des planètes ou plus gros en masse. Cette courbure a été prouvée expérimentalement et se voit lorsque deux horloges synchronisées sont comparées, où l’une est stationnaire et l’autre se déplace sur une distance considérable le long d’un corps de masse importante. Par exemple, si l’horloge est déplacée autour de l’orbite de la terre, comme dans l’expérience Hafele–Keating, l’heure qu’elle affiche sera derrière l’horloge stationnaire, car la courbure de l’espace-temps ralentit le temps de l’horloge en mouvement.
La force de gravité provoque une accélération des objets en tombant vers un autre objet, ce qui est perceptible lorsque la différence de masse entre les deux est grande. Cette accélération peut être calculée en fonction de la masse des objets. Pour les objets tombant vers la Terre, il est d’environ 9,8 mètres par seconde au carré.
Marées
Les marées sont des exemples de force gravitationnelle en action. Ils sont causés par les forces gravitationnelles de la Lune, du Soleil et de la Terre. Contrairement aux objets solides, l’eau peut facilement changer de forme lorsque des forces agissent sur elle. Par conséquent, lorsque les forces gravitationnelles de la Lune et du Soleil agissent sur la Terre, la surface du sol n’est pas attirée par ces forces autant que l’eau. La Lune et le Soleil se déplacent dans le ciel, et l’eau sur Terre les suit, provoquant des marées. Les forces qui agissent sur l’eau sont appelées forces de marée; ce sont une variété de forces gravitationnelles. La Lune, étant plus proche de la Terre, a une force de marée plus forte que le Soleil. Lorsque les forces de marée du Soleil et de la Lune agissent dans la même direction, la marée est la plus forte et s’appelle une marée de printemps. Lorsque ces deux forces sont en opposition, la marée est la plus faible et s’appelle une marée de napier.
Les marées se produisent avec une fréquence différente selon la zone géographique. Parce que la gravité de la Lune et du Soleil tire à la fois l’eau et la planète Terre entière, dans certaines régions, des marées se produisent à la fois lorsque la force gravitationnelle tire l’eau et la Terre dans des directions identiques ou différentes. Dans ce cas, la paire de marée haute et basse se produit deux fois en une journée. Dans certaines régions, cela ne se produit qu’une fois par jour. Les modèles de marée sur la côte dépendent de la forme de la côte, des modèles de marée océanique profonde et de l’emplacement de la Lune et du Soleil, ainsi que de l’interaction de leurs forces gravitationnelles. Dans certains endroits, la durée entre les marées peut durer jusqu’à plusieurs années. Selon le littoral et la profondeur de l’océan, les marées peuvent provoquer des courants, des tempêtes, des changements dans la configuration des vents et des fluctuations de la pression atmosphérique. Certains endroits utilisent des horloges spéciales pour calculer quand la prochaine marée se produira. Ils sont configurés en fonction des occurrences de marée dans la zone et doivent être reconfigurés lorsqu’ils sont déplacés vers un autre emplacement. Dans certaines régions, les horloges de marée ne sont pas efficaces car les marées ne peuvent pas y être prédites facilement.
La force de marée qui déplace l’eau vers et depuis le rivage est parfois utilisée pour produire de l’énergie. Les moulins à marée utilisent cette force depuis des siècles. La construction de base a un réservoir d’eau, et l’eau est admise à marée haute et sort à marée basse. L’énergie cinétique de l’eau qui coule déplace la roue du moulin et la puissance générée est utilisée pour effectuer des travaux, par exemple pour broyer des grains en farine. Bien qu’il y ait un certain nombre de problèmes avec ce système, y compris des dangers pour l’écosystème où cette usine est construite, cette méthode de production d’énergie a du potentiel, car c’est une source d’énergie renouvelable et fiable.
Forces non fondamentales
Les forces qui sont dérivées des forces fondamentales sont appelées forces non fondamentales.
Force normale
L’une des forces non fondamentales est la force normale, qui agit perpendiculairement à la surface de l’objet et pousse vers l’extérieur, résistant à la pression des autres objets. Lorsqu’un objet est placé sur une surface, l’amplitude de la force normale est égale à la force nette appuyant sur la surface. Sur une surface plane, lorsque des forces autres que la gravité sont en équilibre, la force normale est égale à la force gravitationnelle en grandeur et en sens opposé. La somme vectorielle des deux forces est alors nulle et l’objet est stationnaire ou en mouvement à vitesse constante. Lorsque l’objet est sur une pente et que d’autres forces sont en équilibre, la somme des forces gravitationnelles et normales pointe vers le bas (mais pas directement vers le bas, perpendiculairement à l’horizon), et l’objet glisse vers le bas, le long de la pente.
Frottement
Le frottement est une force parallèle à la surface d’un objet et opposée à son mouvement. Il se produit lorsque deux objets glissent l’un contre l’autre (frottement cinétique) ou lorsqu’un objet stationnaire est placé sur une surface inclinée (frottement statique). Cette force est utilisée lors de la mise en mouvement d’objets, par exemple, les roues s’agrippent au sol en raison du frottement. Sans cela, ils n’auraient pas pu propulser des véhicules. Le frottement entre le caoutchouc des pneus et le sol est suffisamment fort pour que les pneus ne glissent pas le long du sol et permet le mouvement de roulement et un meilleur contrôle de la direction du mouvement. Le frottement d’un objet roulant, le frottement de roulement ou la résistance au roulement, n’est pas aussi fort que le frottement à sec de deux objets glissant l’un contre l’autre. Le frottement est utilisé lors de l’arrêt avec l’utilisation de pauses — les roues d’un véhicule sont ralenties par un frottement à sec dans les freins à disque ou à tambour. Dans certains cas, le frottement n’est pas souhaitable car il ralentit le mouvement et use les composants mécaniques. Des liquides ou des surfaces lisses sont utilisés pour minimiser les frottements.
Faits intéressants sur les forces
Les forces peuvent déformer des objets solides ou modifier le volume et la pression des liquides et des gaz. Cela se produit lorsque des forces sont appliquées de manière inégale à différentes parties de l’objet ou de la substance. Dans certains cas, lorsqu’une force suffisante est appliquée à un objet lourd, il peut être comprimé en une très petite sphère. Si cette sphère est assez petite, inférieure à un certain rayon, un trou noir peut se former. Ce rayon s’appelle le rayon de Schwarzschild. Il varie en fonction de la masse de l’objet et peut être calculé à l’aide d’une formule. Le volume de cette sphère est si petit, que comparé à la masse de l’objet, il est presque nul. Parce que la masse des trous noirs est si fortement condensée, ils ont une attraction gravitationnelle extrêmement élevée, de sorte que d’autres objets ne peuvent pas s’en échapper, ni s’allumer. Les trous noirs ne réfléchissent aucune lumière, ils semblent donc être complètement noirs. C’est pourquoi ils sont appelés trous noirs. Les scientifiques pensent que les grandes étoiles en fin de vie se transforment en trous noirs et peuvent croître en masse en absorbant d’autres objets situés dans un rayon donné.
