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Interactions : actions mécaniques et forces
Actions mécaniques de contact ou à distance et leurs effets ; interaction ; diagramme objet-interaction ; force : point d’application, direction, sens et valeur en newtons ; dynamomètre ; représentation d’une force à l’échelle ; deux forces qui se compensent.
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Actions mécaniques : de contact ou à distance
Un footballeur tire un penalty : son pied touche le ballon, qui s’écrase un instant puis part vers le but. La Terre, elle, attire le ballon sans le toucher : il finit par retomber. Ces actions d’un objet sur un autre sont des actions mécaniques.
• Une action mécanique peut mettre un objet en mouvement, modifier son mouvement (la valeur de sa vitesse ou la direction de sa trajectoire) ou le déformer. Elle produit souvent plusieurs effets à la fois.
• L’action est de contact si les deux objets se touchent, à distance s’ils ne se touchent pas.
• Au collège, on rencontre trois actions à distance : l’attraction gravitationnelle (la Terre, la Lune, le Soleil attirent les objets), l’action magnétique (un aimant attire un objet en fer, en acier, en nickel ou en cobalt, ou un autre aimant) et l’action électrique (un objet frotté, dit électrisé, attire de petits objets légers).
• Toute action est réciproque : si A agit sur B, alors B agit aussi sur A. Les deux actions forment une interaction entre A et B.
Contact ou à distance ?
| Action | Les objets se touchent-ils ? | Type |
|---|---|---|
| la main qui pousse un chariot | oui | de contact |
| le sol qui soutient une chaise | oui | de contact |
| l’air qui freine un parachute | oui : l’air touche la toile | de contact |
| la Terre qui attire une pomme qui tombe | non | à distance (gravitation) |
| un aimant qui attire des épingles en acier posées à 2 cm | non | à distance (magnétique) |
| un ballon frotté qui attire des cheveux | non | à distance (électrique) |
Les effets d’une action
| Situation | Effet observé |
|---|---|
| une boule de pétanque immobile est frappée par une autre et part | mise en mouvement |
| un gardien arrête le ballon | modification du mouvement : la vitesse tombe à zéro |
| le vent accélère un voilier | modification du mouvement : la valeur de la vitesse augmente |
| un joueur dévie le ballon de la tête | modification du mouvement : la trajectoire change de direction |
| une main comprime un ressort | déformation |
Au moment du tir, le pied du footballeur déforme le ballon et le met en mouvement : une même action, deux effets. Ce qui change dans la vitesse (valeur, direction) est étudié dans le chapitre « Mouvement : référentiel, vitesse et chronophotographie ».
Toute action est réciproque
Quand tu appuies sur une table, tu exerces une action sur la table… et la table exerce en retour une action sur ta main : c’est pour cela que tu sens une résistance. On dit que la main et la table sont en interaction.
Nommer l’acteur et le receveur. Une grue soulève un conteneur avec son câble : c’est l’action du câble (acteur) sur le conteneur (receveur), une action de contact.
Une action à distance. Une règle en plastique frottée avec un chiffon de laine dévie un mince filet d’eau qui coule du robinet, sans le toucher : action électrique, à distance.
Une interaction. Assis dans une barque, Noé pousse le quai avec sa rame. Le quai agit en retour sur la rame : la barque s’éloigne du quai.
Réflexe — je cherche l’acteur et le receveur (« l’action de … sur … »), puis je me demande : « se touchent-ils ? ».
Attention — « il y a une force dans le ballon » n’a aucun sens : une action n’est jamais contenue dans un objet, elle est toujours exercée par un objet sur un autre.
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Faire l’inventaire des actions : le diagramme objet-interaction
Avant de représenter les actions subies par un objet, il faut n’en oublier aucune. Le diagramme objet-interaction en fait l’inventaire, sous la forme d’un schéma simple.
• On cherche d’abord tous les objets qui touchent le système (actions de contact), puis ceux qui agissent à distance : la Terre toujours, un aimant ou un objet électrisé s’il y en a.
• Le diagramme objet-interaction : le système dans une bulle mise en valeur, chaque objet en interaction avec lui dans une bulle, relié au système par un trait plein (contact) ou un trait pointillé (à distance). Un trait = une interaction.
• L’air touche presque tous les objets ; son action est souvent très faible devant les autres. L’énoncé précise si on la néglige.
Une bille d’acier, une table et un aimant
Une bille d’acier est posée sur une table. On tient un aimant au-dessus d’elle, sans la toucher : elle reste sur la table. On néglige l’action de l’air.
| Objet | Touche-t-il la bille ? | Trait |
|---|---|---|
| la table | oui | plein |
| la Terre | non (gravitation) | pointillé |
| l’aimant | non (magnétique) | pointillé |
| la main qui tient l’aimant | non, et elle n’agit pas à distance | aucun : elle n’est pas dans le diagramme |
Ne pas oublier la Terre. Une feuille morte qui tombe subit l’action de la Terre (à distance) et celle de l’air (contact), qui la freine beaucoup : ici, on ne peut pas négliger l’air.
Ce qui ne touche pas le système. Un randonneur porte un sac à dos. Système : le sac. Contact : le randonneur (dos et bretelles) ; à distance : la Terre. Le sol ne touche pas le sac : il n’est pas relié au sac.
Changer de système. Si l’on étudie la table plutôt que la bille, la bille devient un des objets qui agissent sur le système : elle est reliée à la table par un trait plein.
Réflexe — je mets le système en valeur, je fais le tour de tout ce qui le touche (traits pleins), puis j’ajoute la Terre et les autres actions à distance (traits pointillés).
Attention — un objet qui retient le système par l’intermédiaire d’un autre n’agit pas directement sur lui : pour une enseigne pendue à une chaîne sous une potence, c’est la chaîne qui touche l’enseigne, pas la potence.
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Modéliser une action par une force : caractéristiques et mesure
Pour calculer et dessiner, le physicien remplace chaque action mécanique par un modèle : une force. Elle dit où l’action s’exerce, dans quelle direction, vers où et avec quelle intensité.
• Une force a quatre caractéristiques : son point d’application, sa direction, son sens et sa valeur.
• Point d’application : pour une action de contact, le point (ou le centre de la zone) de contact ; pour l’action de la Terre, le centre de l’objet (son centre de gravité).
• La valeur d’une force s’exprime en newtons (symbole N), du nom d’Isaac Newton. 1 kN = 1 000 N et 1 N = 1 000 mN.
• On la mesure avec un dynamomètre : son ressort s’allonge d’autant plus que la force est grande, et un index se déplace devant une graduation en newtons.
Les quatre caractéristiques
| Caractéristique | Ce qu’elle indique | Exemples |
|---|---|---|
| point d’application | l’endroit où la force s’exerce | le point de contact, le centre de l’objet |
| direction | la droite le long de laquelle la force agit | verticale, horizontale, le long d’un fil |
| sens | vers où elle agit sur cette droite | vers le haut, vers la droite, vers le crochet |
| valeur | son intensité, en newtons | 25 N |
Les unités
| Unité | Symbole | En newtons |
|---|---|---|
| millinewton | mN | 1 mN = 0,001 N |
| newton | N | 1 N |
| kilonewton | kN | 1 kN = 1 000 N |
Exemples : 0,45 kN = 0,45 × 1 000 = 450 N ; 1 250 mN = 1 250 ÷ 1 000 = 1,25 N.
Lire un dynamomètre
Entre 3 N et 4 N, il y a 5 petits intervalles : chacun vaut 1 ÷ 5 = 0,2 N. L’index est sur la deuxième petite graduation après 3 : le dynamomètre indique 3 + 2 × 0,2 = 3,4 N.
Avant toute mesure, on règle l’index sur zéro à vide (rien n’est accroché). On ne dépasse jamais la valeur maximale indiquée sur l’appareil, son calibre : un ressort trop étiré se déforme pour toujours.
Décrire une force. Un déménageur tire un carton sur le sol avec une sangle horizontale. Fsangle/carton : point d’application, le point d’attache de la sangle ; direction, horizontale ; sens, vers le déménageur ; valeur, 40 N.
Convertir. 2,3 kN = 2,3 × 1 000 = 2 300 N ; 80 mN = 80 ÷ 1 000 = 0,08 N.
Choisir le dynamomètre. Pour une force d’environ 3 N, on prend un dynamomètre de calibre 5 N : celui de 1 N serait abîmé, et celui de 50 N, gradué de 2 N en 2 N, serait trop peu précis.
Réflexe — je donne les quatre caractéristiques dans l’ordre : où (point d’application), sur quelle droite (direction), vers où (sens), combien (valeur, avec l’unité).
Attention — direction et sens ne sont pas synonymes : la verticale est une direction ; « vers le haut » et « vers le bas » sont les deux sens possibles sur cette direction.
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Représenter une force à l’échelle
Sur un schéma, une force se dessine par une flèche dont la longueur dépend de la valeur. Pour que la longueur ait un sens, on choisit une échelle.
• L’échelle se note par exemple « 1 cm pour 10 N ». Alors : longueur (en cm) = valeur ÷ 10 ; valeur (en N) = longueur × 10.
• Toutes les forces d’un même schéma sont dessinées à la même échelle, écrite sur le schéma.
• On choisit une échelle qui donne des flèches ni trop courtes ni trop longues pour la feuille.
Deux forces sur une caisse
On tire une caisse avec une corde horizontale. Voici deux des forces qu’elle subit (le sol agit aussi sur elle) :
| Force | Point d’application | Direction et sens | Longueur | Valeur |
|---|---|---|---|---|
| Fcorde/caisse | point d’attache de la corde | horizontale, vers la droite | 4 carreaux | 4 × 5 = 20 N |
| FTerre/caisse | centre de la caisse | verticale, vers le bas | 3 carreaux | 3 × 5 = 15 N |
Calculer une longueur ou une valeur
| Échelle | On connaît… | Calcul | Résultat |
|---|---|---|---|
| 1 cm pour 10 N | une force de 35 N | 35 ÷ 10 | flèche de 3,5 cm |
| 1 cm pour 10 N | une flèche de 2,4 cm | 2,4 × 10 | force de 24 N |
| 1 cm pour 50 N | une force de 125 N | 125 ÷ 50 | flèche de 2,5 cm |
Choisir une échelle. Pour représenter 600 N et 150 N sur la même feuille, l’échelle 1 cm pour 100 N donne des flèches de 6 cm et 1,5 cm : lisibles.
Sur un quadrillage. Avec l’échelle 1 carreau pour 2 N, une flèche de 7 carreaux représente 7 × 2 = 14 N.
Le point d’application. La force exercée par la Terre sur une pomme accrochée à sa branche part du centre de la pomme, verticale, vers le bas.
Réflexe — je place l’origine au point d’application, je trace la droite (direction), je mets la pointe du bon côté (sens), puis je calcule la longueur avec l’échelle.
Attention — un schéma de forces sans échelle est incomplet : la longueur des flèches ne veut alors rien dire. Et si l’échelle double (1 cm pour 20 N au lieu de 10 N), la même force se dessine deux fois plus courte.
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Deux forces qui se compensent : l’équilibre
Un livre posé sur une table ne bouge pas, et pourtant la Terre l’attire. C’est que la table agit aussi sur lui : les deux actions s’équilibrent.
• Un objet immobile qui subit seulement deux forces est en équilibre : ces deux forces se compensent.
• On s’en sert pour trouver une force inconnue : la seconde force a la même direction et la même valeur que la première, mais le sens opposé.
• C’est ainsi que fonctionne la mesure au dynamomètre : quand l’objet suspendu est immobile, le dynamomètre indique la valeur de la force exercée par la Terre sur l’objet.
• Si deux forces ne se compensent pas, un objet immobile se met en mouvement.
Un livre posé sur une table
Le livre subit FTerre/livre (à distance, depuis son centre, vers le bas) et Ftable/livre (contact, depuis le milieu de sa face du dessous, vers le haut). Il est immobile : les deux forces ont la même direction (verticale), des sens opposés et la même valeur, 3 × 2 = 6 N chacune.
Quand se compensent-elles ?
| Les deux forces ont… | Se compensent-elles ? |
|---|---|
| même direction, sens opposés, même valeur | oui |
| même direction, sens opposés, valeurs différentes | non : l’objet part du côté de la plus grande |
| même direction, même sens | non : leurs effets s’ajoutent |
| des directions différentes | non |
Un anneau très léger est tiré par deux dynamomètres, sur une même droite, en sens opposés. S’il reste immobile, les deux dynamomètres indiquent la même valeur.
Trouver la force d’un câble. Une suspension est immobile au bout de son câble. La Terre l’attire avec 15 N : le câble exerce sur elle une force verticale, vers le haut, de 15 N.
Lire la force exercée par la Terre. Un sac de billes pend, immobile, à un dynamomètre qui indique 2,7 N : la Terre attire le sac avec une force de 2,7 N.
Pas d’équilibre. Au tir à la corde, une équipe tire avec 800 N, l’autre avec 750 N : les deux forces ne se compensent pas, la corde part du côté de la première équipe.
Réflexe — objet immobile et deux forces → elles se compensent → même direction, sens opposés, même valeur.
Attention — « immobile » ne veut pas dire « aucune force » : le livre subit deux forces qui se compensent. Et deux forces de même valeur ne se compensent que si elles sont sur la même droite, en sens opposés.
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Pour aller plus loin
En 3ᵉ. La force exercée par la Terre sur un objet s’appelle son poids ; elle se calcule avec P = m × g : voir « Poids et masse : P = m × g ». Le lien entre les forces et le mouvement (un objet en mouvement rectiligne uniforme subit lui aussi des forces qui se compensent ; une force non compensée modifie la vitesse) est étudié dans « Forces : modéliser une action et prévoir le mouvement ».
Au lycée. En 2ᵈᵉ, on verra que les deux actions d’une interaction ont toujours la même direction, la même valeur et des sens opposés : c’est le principe des actions réciproques (« Interactions : modéliser une action par une force »).
Le mouvement. Comment décrire un mouvement dans un référentiel et ce qui change dans la vitesse : chapitre « Mouvement : référentiel, vitesse et chronophotographie ».
- Une action mécanique est exercée par un acteur sur un receveur ; elle met en mouvement, modifie le mouvement ou déforme ; elle est de contact ou à distance (gravitation, magnétique, électrique).
- Toute action est réciproque : si A agit sur B, B agit sur A ; c’est une interaction.
- Diagramme objet-interaction : le système au centre, un trait plein par contact, un trait pointillé par action à distance (la Terre toujours).
- Une force a un point d’application, une direction, un sens et une valeur en newtons (N), mesurée au dynamomètre ; 1 kN = 1 000 N, 1 N = 1 000 mN.
- On la représente par un segment fléché à l’échelle : longueur = valeur ÷ (newtons pour 1 cm).
- Un objet immobile soumis à deux forces : elles se compensent (même direction, sens opposés, même valeur).
Questions fréquentes
Quelle est la différence entre une action de contact et une action à distance ?
Une action est de contact quand l’acteur touche le receveur (une main qui pousse, le sol qui soutient, l’air qui freine). Elle est à distance quand ils ne se touchent pas : au collège, l’attraction gravitationnelle (la Terre attire les objets), l’action magnétique (un aimant attire le fer) et l’action électrique (un objet frotté attire des objets légers).
Comment faire un diagramme objet-interaction ?
On met en valeur le système (l’objet étudié), puis on dessine une bulle pour chaque objet qui agit sur lui : un trait plein pour chaque objet qui le touche, un trait pointillé pour chaque action à distance, la Terre toujours comprise. Un objet qui ne touche pas le système et n’agit pas à distance n’y figure pas.
Quelles sont les quatre caractéristiques d’une force ?
Le point d’application (où elle s’exerce), la direction (la droite le long de laquelle elle agit), le sens (vers où) et la valeur, en newtons (N), mesurée avec un dynamomètre.
Comment représenter une force à l’échelle ?
Par un segment fléché qui part du point d’application, suit la direction, pointe dans le sens de la force, et dont la longueur est calculée avec l’échelle : avec 1 cm pour 10 N, une force de 35 N mesure 3,5 cm.
Quand deux forces se compensent-elles ?
Quand elles ont la même direction, des sens opposés et la même valeur. Un objet immobile qui ne subit que deux forces est dans ce cas : un livre posé sur une table subit l’action de la Terre vers le bas et celle de la table vers le haut, de même valeur.
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