Forces et énergie

Apres l'article dédié aux mouvements, il est logique de parler de forces et d'énergie. On connait tous ces deux mots dans la vie quotidienne notamment lorsqu'on parle de quelqu'un qui a de la force, c'est à dire qu'il peut déplacer des objets lourds, ou encore de quelqu'un qui a de l'énergie, c'est à dire qui peut effectuer de nombreux travaux sans "fatiguer". Pour ce qui est des forces physiques et de l'énergie physique, c'est à peu près la même chose. Voyons tout de même rigoureusement ce que sont une force et une énergie.

  • Force : Une force est une interaction entre deux objets pouvant induire une accélération. La valeur de l'accélération est intrinsèquement liée à l'intensité de la force d’interaction entre les deux objets. Par exemple, deux aimants de même pôles se repoussent.
  • Energie : On définit l'énergie comme la capacité d'un système à produire un travail - en appliquant une force pendant une certaine durée - entraînant un mouvement. Par exemple, on peut définir l'énergie associée au réservoir de carburant d'une voiture lui permettant d'avancer.

Voyons plus en détail ce que sont ces deux grandeurs...

La notion de Force

L'unité de mesure de la force est le Newton. Je vous ai déjà dit qu'une force appliquée à un objet entraîne une accélération, on peut également mesurer une force en Kg.m/s² c'est à dire une masse fois une accélération. Effectivement, il est plus difficile de déplacer un objet lourd qu'un objet léger, d'où l'utilité de la masse dans l'expression de la force.

Afin de vous montrer ce que c'est qu'une force, je vais vous donner quelques exemples et vous présenter les différentes forces que l'on trouve.

Les forces de contact

Ce sont les forces que l'on voit au quotidien, par exemple lorsque vous prenez un objet dans votre main ou encore lors d'un choc entre deux objets. Cette force est appelée force de contact car elle n’apparaît que lorsque la distance entre les deux objets devient microscopique. Elle résulte en réalité de forces plus fondamentales que nous verrons plus tard.

Voici un exemple frappant (le mot est bien choisi) de forces de contact. Le pendule de Newton est un objet censé montrer ce que l'on appelle la conservation de l'énergie. La première bille à gauche part avec une vitesse nulle et un angle bien défini, elle va heurter la bille la plus proche et la force va se transmettre jusqu'à la dernière bille à droite qui va monter jusqu'à pratiquement atteindre l'angle de départ de la première bille. Dans le cas du pendule de Newton, on parle de force conservative, c'est à dire que l'énergie est conservée au cours du mouvement.

Le pendule de Newton
Le pendule de Newton

Voyons un autre type de force que l'on appelle force non conservative.

Les forces de frottement

Prenons l'exemple d'un cailloux jeté dans l'eau. En l'air, la vitesse du caillou est à peu près constante, en revanche, lorsqu'il arrive dans l'eau sa vitesse chute brusquement. C'est ce que l'on appelle une force de frottement.

L'ensemble des frottements entraînent une production de chaleur, prenez l'exemple d'une voiture qui dérape. La chaleur est telle que le pneu se désagrège en laissant une trace sur la route.

Exemple brûlant de force de frottement, le freinage.
Exemple brûlant de force de frottement, le freinage.

En regardant de plus près, les forces de frottement ne sont pas si différentes des forces de contact. La nature fondamentale de la force de frottement est la même que celle de contact. La seule différence vient de la nature du contact entre les deux objets, l'un normal, l'autre tangentiel.

Il existe évidement d'autres types de forces qui s'expriment dans des situations bien précises mais je ne vais pas m'attarder là dessus car elles découlent toutes de ce que l'on appelle les 4 interactions fondamentales de l'univers.

Les quatre interactions fondamentales

Les théories actuelles montrent que notre univers est régit par quatre interactions fondamentales. Ce sont ces quatre forces qui sont à l'origine de la stabilité de la matière et du rayonnement tels que nous les connaissons aujourd'hui. Voyons donc quelles sont elles :

  • La force gravitationnelle : La force gravitationnelle est la force d’interaction entre les "gros" objets de notre univers. C'est une force dont la portée est infinie mais dont l'intensité est très faible relativement aux autres interactions fondamentales. Cette force est uniquement attractive. C'est grâce à la force de gravitation que le système solaire est stable et que nous restons cloués au sol par exemple.
  • La force électromagnétique : La force électromagnétique est une force d'interaction entre des objets dits "chargés". Tout objet sujet à la force électromagnétique possède une charge qui peut être positive ou répulsive. Les objets dont les charges sont opposées (+, -) s'attirent, ceux dont les charges sont de même signe (+, +) ou (-, -) se repoussent. Cette charge est appelée charge électrique, nous étudierons plus en détail la force électromagnétique dans de prochains articles ;). Quoi qu'il en soit, la force électromagnétique possède une portée infinie et est bien plus intense que la force gravitationnelle.
  • La force forte et la force faible : Ces deux forces d’interaction sont très particulières car contrairement aux forces gravitationnelle et électromagnétique, elles sont de portées extrêmement courtes : 10-15m pour l'interaction forte et 10-17m pour l’interaction faible. Ces forces sont particulièrement utiles pour expliquer la stabilité des atomes ainsi que leurs constituants. Au passage, leur intensité est également beaucoup plus élevée que celles des forces électromagnétismes et gravitationnelles.

L'énergie

On ne peut pas parler de force sans parler d'énergie, en particulier de "travail" de la force. Effectivement, lorsqu'une force agit sur un objet, on dit qu'elle "travaille". Son travail peut être nul, ou pas... 🙂 Je vous explique cela un peu plus en détail, pour cela il faut définir ce qu'est l'énergie.

L'énergie d'un objet est directement relié à sa vitesse et à sa masse dans un référentiel donné. Dans l'article précédent sur les mouvements en mécanique classique j'ai parlé des référentiels. Il se trouve que suivant le référentiel dans lequel on se place, notre mobile n'aura pas la même énergie. Cependant, ma définition de l'énergie est incomplète, l'énergie se divise en réalité en deux "sous-énergies" :

  • L'énergie cinétique : C'est l'énergie qui est directement liée à la vitesse de déplacement de notre objet ainsi qu'à sa masse. En mécanique classique on écrira :

E_c=\frac{1}{2}mv^2

ou m est la masse de notre objet et v sa vitesse.

  • L'énergie potentielle : Cette énergie n'est pas directement représentée par le déplacement de notre objet mais elle nous permet de l'anticiper et de deviner le parcours que notre objet va réaliser. L'énergie potentielle se définit à une constante près. C'est à dire que l'on choisit un point dans l'espace ou l'on dira que notre objet possède une énergie potentielle nulle si il se trouve en ce point. Cette énergie est de résultat de l'action de la force sur notre objet. Par exemple, si je me trouve en haut d'un immeuble de quatre étages et que je choisi le rez de chaussée comme énergie potentielle nulle, mon énergie potentielle sera positive. Si en revanche je choisi l'étage d'au dessus, mon énergie potentielle sera négative. Dans tous les cas, si je saute par la fenêtre, je perdrai de l'énergie potentielle qui se transformera en énergie cinétique, et mon corps ira tranquillement transférer cette énergie au sol (force de contact). On définit l'énergie potentielle de la force gravitationnelle sur terre en mécanique classique par :

E_p = mgh + C

ou m est la masse (de mon corps par exemple), g = 9.81 m/s2 l'attraction de la pesanteur, h la hauteur ou je me trouve et C une constante qui dépend du point ou j'ai fixé mon énergie potentielle nulle.

Si l'on additionne l'énergie cinétique et l'énergie potentielle de notre objet, on tombe sur son énergie totale. Et c'est là que la notion de travail des forces prend tout son sens. Lorsque le travail d'une force est nul, l'énergie totale de l'objet reste constante. On dit que l'énergie du système se conserve ou encore que la force est conservative. Si maintenant le travail de la force n'est pas nul, l'énergie du mobile diminue dans le temps et n'est donc pas conservée, on dit que la force est non-conservative.

Maintenant voyons quelles sont les forces conservatives et quelles sont les forces non-conservatives. 

Les forces de contact peuvent être conservatives, on parle alors de choc élastique, ou non-conservatives, on parle de choc inélastique. Toutes les forces de frottement sont non-conservatives car le système perd automatiquement de l'énergie au cours du temps. Les 4 interactions fondamentales sont absolument conservatives ! Sinon elles ne seraient pas fondamentales.

Voici un exemple de choc inélastique et donc de mouvement non-conservatif. Lorsque le ballon frappe le sol, une partie de l'énergie cinétique du ballon est transmise au sol - généralement sous forme de chaleur - le reste de l'énergie du ballon lui permet de remonter mais pas autant qu'initialement. Si le choc était élastique, l'énergie serait conservée et le ballon remonterait parfaitement à la même hauteur qu'initialement. C'est presque le cas des balles rebondissantes par exemple.
Voici un exemple de choc inélastique et donc de mouvement non-conservatif. Lorsque le ballon frappe le sol, une partie de l'énergie cinétique du ballon est transmise au sol - généralement sous forme de chaleur - le reste de l'énergie du ballon lui permet de remonter mais pas autant qu'initialement. Si le choc était élastique, l'énergie serait conservée et le ballon remonterait parfaitement à la même hauteur qu'initialement. C'est presque le cas des balles rebondissantes par exemple.

En réalité, les forces de contact et de frottement sont toutes deux une combinaison des forces fondamentales. Il n'existe pas vraiment de chocs élastiques, c'est plutôt une vision idéalisée des chocs inélastiques ou l'énergie du système est presque conservée. L'énergie qui est perdue l'est bien souvent sous forme de chaleur.

On pourrait aller beaucoup plus loin dans notre étude des forces mais je voudrais que cet article reste assez basique. On étudiera tous les phénomènes liés aux forces dans de prochains articles ;).

J'espère que cet article vous a plu, si c'est le cas n'hésitez pas à commenter et surtout partagez le ! 🙂


Parce que Wikipédia est une formidable base de donnée, je n'hésite pas à vous rediriger vers les quelques pages qui vous permettront de pousser le sujet plus loin et qui m'ont inspiré pour créer cet article. 

Wikipedia :

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