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Interactions et forces
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Introduction :
Une pomme posée à terre, une feuille morte qui tombe d’un arbre, un ballon qui roule, le tir à la corde sont des interactions que l’on peut voir au quotidien. En effet, tous les corps sont sans cesse en interaction les uns avec les autres. Ils exercent entre eux des actions réciproques qui les influencent dans leur mouvement ou leur immobilité.
Dans un premier temps nous allons faire l’inventaire de toutes les interactions dans lesquelles est impliqué un objet considéré comme système d’étude. Nous expliquerons ensuite le diagramme objet-interaction. Enfin, nous détaillerons les caractéristiques des actions qui agissent sur cet objet et nous modéliserons chaque action par un segment fléché.
Les interactions entre les objets
Avant d’aborder les interactions, il est important de comprendre ce que l’on appelle un système.
Système :
Un système est l’objet ou l’ensemble des objets étudié(s).
Ainsi, définir un système revient à définir une frontière. Un système est défini de manière arbitraire en fonction des besoins de l’expérience à décrire ou de la théorie énoncée.
Ce terme est à comprendre au sens large : il peut s’agir d’une planète, du Système solaire qui comprend plusieurs corps, d’une voiture qui roule, ou d’un atome avec ses protons et ses électrons.
Les systèmes que nous aborderons dans ce chapitre seront limités à un objet ou à une personne.
Dans notre quotidien, il faut savoir qu’un objet ou une personne peut être soumis à différentes actions mécaniques.
Action mécanique :
En physique, lorsqu’un objet agit sur un autre, on parle d’action mécanique ou plus simplement d’action.
Nous comprenons bien au travers de ces exemples qu’une action peut avoir plusieurs effets sur l’objet étudié :
Dans un système on étudie les objets et les interactions entre ceux-ci.
Interaction :
Une interaction implique que deux objets exercent une action l’un sur l’autre.
Il existe deux formes d’interactions ou d’actions mécaniques :
Si on lance une bille, la main exerce une interaction de contact sur la bille. La Terre exerce une interaction à distance sur tous les objets terrestres et fait retomber la bille.
Dans la partie suivante, nous allons résumer les différentes interactions qui agissent sur un objet au moyen d’un diagramme objet-interaction.
Le diagramme objet-interaction
Diagramme objet-interaction (ou DOI) :
Un diagramme objet-interaction permet de faire l’inventaire de l’ensemble des interactions dans lequel est impliqué le système étudié.
Un DOI se construit selon les trois étapes ci-dessous :
Étudions un livre posé sur une table. Le système étudié est le livre. Ce livre est soumis à deux actions :
Pour terminer, nous allons présenter les quatre caractéristiques d’une action mécanique, puis nous expliquerons comment représenter une action par un segment fléché (ou vecteur) que l’on appelle « force ».
Les forces
Définition
Lorsque l’on étudie un objet, on s’intéresse aux actions mécaniques qui s’exercent sur lui. On représente visuellement ces actions mécaniques par des segments fléchés que l’on appelle forces.
Force :
Une force représente l’action d’un corps sur un autre. On modélise celle-ci par une flèche, que l’on appelle vecteur.
Une force n’a pas de réalité physique, il s’agit simplement d’un outil mathématique pour représenter l’interaction.
Les caractéristiques d’une force
Une force possède les quatre caractéristiques suivantes :
La valeur d’une force se mesure avec un dynamomètre. L’unité de mesure est le newton (symbole : ).
Étudions les caractéristiques des forces exercées sur le système d’une balle lancée.
La première force que l’on peut relever est l’attraction de la Terre sur la balle, on appelle cette interaction le poids que l’on note généralement .
Ici, pour mieux comprendre les interactions entre les objets, on la note :
La seconde est la force exercée par la main sur la balle notée :
Représentation des forces par un segment fléché
Le segment fléché, également appelé vecteur, permet de modéliser les quatre caractéristiques de la force sur un schéma. En effet :
Étudions la représentation des forces exercées sur un pendule pendu au bout d’un fil.
Le système que nous étudions est le pendule.
Construisons le DOI qui résume les différentes actions.
À propos de la notation de ces forces :
Cette force, de même valeur que le poids, permet au pendule d’être en équilibre. Pour représenter deux forces qui ont la même valeur on trace des vecteurs de même longueur.
Conclusion :
L’étude des interactions entre les objets nécessite de délimiter un système.
Une fois le système défini, il est important de résumer les différentes actions qu’il subit de l’extérieur en construisant le diagramme objet-interaction qui différencie les interactions à distance et de contact.
Enfin, pour modéliser sur un schéma les quatre caractéristiques d’une force, il faut tracer un segment fléché appelé vecteur.
Il est possible de représenter des interactions entre des objets infiniment petits tels que les atomes mais aussi entre des objets infiniment grands tels que les planètes.