I- De l’action mécanique à la force
1- Action mécanique
Lorsqu’un système extérieur agit sur un système étudié, il y a une action mécanique du premier qui s’exerce sur le second.
Les actions mécaniques peuvent avoir différents effets sur le système étudié :
- le mettre en mouvement(A) : mise en mouvement d’un ballon de rugby
- modifier sa trajectoire et/ou sa vitesse (B) : bille déviée par un aimant
- ou encore le déformer (C) : arc déformé par le tireur

2- Action à distance et action de contact
Si les systèmes étudié et extérieur se touchent, on parle d’action mécanique de contact (A et C).
Si le système extérieur agit sur le système étudié sans le toucher, on parle d’action mécanique à distance (B).
3- Diagramme objets-interactions
Le système étudié peut subir les actions de plusieurs systèmes extérieurs, il est alors important de faire le bilan de toutes les actions mécaniques agissant sur lui.
Le diagramme objets-interactions permet de dresser schématiquement le bilan des actions mécaniques qui s’exercent sur le système étudié.

4-Modélisation d’une action mécanique par une force
Pour pouvoir étudier une action mécanique, on la modélise par une force représentée par un vecteur F système extérieur/système étudié
Les caractéristiques d’un vecteur F système extérieur/système étudié sont :
– l’origine, le point représentant le système étudié ;
– la direction, celle de l’action mécanique ;
– le sens, celui de l’action mécanique ;
– la norme (ou longueur) est proportionnelle à la valeur (ou intensité) de la force, exprimée en newton (N).
La valeur de la force se mesure avec un dynamomètre.
Exemple : L’action mécanique d’une raquette sur une balle de tennis est modélisée par une force d’intensité 1 000 N. Le vecteur a une norme (ou longueur) égale au double de l’échelle .

II- Exemples de forces
1- La force d’interaction gravitationnelle
En 1687, Newton publie dans son ouvrage Principes mathématiques de la philosophie naturelle, les prémices de ce qui allait devenir la loi de la gravitation universelle.
Tous les corps massiques de l’Univers s’attirent mutuellement, d’où le terme d’universelle. Cette attraction due à leur masse, est modélisée par la force d’interaction gravitationnelle.
Deux systèmes A et B, de masses respectives mA et mB, séparés d’une distance d, exercent l’un sur l’autre des actions mécaniques attractives modélisées par des forces, appelées forces d’interaction gravitationnelle, de même intensité, de même direction, mais de sens opposés.
L’expression vectorielle de ces forces F est :

Ces forces d’interaction sont à l’origine des mouvements des planètes autour du Soleil et des mouvements des satellites autour des planètes.

Exemple : La Terre de masse mT = 5,97x1024 kg et la Lune de masse mL = 7,35x1022 kg sont à une distance d= 3,84 x105 km. Après conversion de d en mètre, on calcule l’intensité de la force d’interaction gravitationnelle F :

2- Le poids
Un système étudié de masse m se trouvant à la surface (ou à proximité) d’un astre de masse mA et de rayon R subit l’attraction de cet astre.
Le poids d’un système est la force qui modélise l’action à distance de l’astre attracteur à proximité. L’expression vectorielle du poids P est :

Les caractéristiques du vecteur du système S sont :
– la direction, qui est la droite reliant le système au centre de l’astre, donc la verticale du lieu ;
– le sens, qui est vers le centre de l’astre ;
– la longueur, qui est proportionnelle à la valeur du poids P = m · g.

L’intensité de pesanteur dépend de la masse de l’astre et de son rayon :


Exemple :

L’intensité de pesanteur sur la Lune est donc six fois plus faible que sur la Terre, il en est alors de même pour l’intensité du poids.
3- Force exercée par un support
On appelle réaction
R du support la force qui modélise l’action du support sur le système d’étude.
Les caractéristiques de la réaction sont :
– la direction qui est perpendiculaire au support ;
– le sens qui est du support vers le système étudié ;
– la norme qui est proportionnelle à la valeur de la réaction R.

La table exerce une action sur le livre L.
Une pente enneigée exerce une action sur le skieur S.
4- Force exercée par un fil
On appelle tension
T du fil, la force qui modélise l’action du fil sur le système d’étude.
Les caractéristiques de la tension sont :
– la direction qui est celle du fil ;
– le sens qui est du système étudié vers le fil ;
– la norme qui est proportionnelle à la valeur de la tension T.

III- Principe des actions réciproques
3e loi de Newton : lorsqu’un système A exerce une action mécanique sur un système B, alors le système B exerce une action mécanique réciproque sur le système A. Ces actions sont modélisées par des forces telles que :
F A/B = - F B/A
Ces forces ont même direction, même valeur, mais sont de sens opposés.
Exemple :
Ce principe (3e loi de Newton) explique la propulsion des fusées. La fusée exerce une action mécanique sur les gaz en les expulsant vers le bas. Les gaz exercent alors une action mécanique sur la fusée vers le haut.
Ces actions mécaniques sont modélisées par les forces F fusée/gaz et F gaz/fusée qui sont de sens opposés.
Le système étudié étant la fusée, c’est la force
F gaz/fusée qui est à l’origine du décollage de la fusée.

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