La force

1. Les actions mécaniques

Quand un objet agit sur un autre en le poussant, en le tirant, en l'attirant ou en le repoussant, on dit qu'il exerce une action mécanique. On distingue deux sortes d'actions :

Une action de contact peut être localisée (elle s'exerce en un point ou sur une très petite surface, comme une corde accrochée à un crochet) ou répartie (elle s'exerce sur toute une surface, comme le vent sur une voile). Une action à distance est en général répartie dans tout le volume de l'objet (la Terre attire chaque partie de la mangue).

2. Les effets d'une action mécanique

Une action mécanique peut produire deux grands effets :

• un effet dynamique : elle met en mouvement un objet immobile (Sékou démarre la brouette), elle modifie son mouvement (elle l'accélère, le freine ou change sa direction : un joueur qui dévie le ballon d'un coup de tête), ou elle l'arrête ;
• un effet statique : elle déforme l'objet (le sac écrasé par la corde, un ressort qui s'allonge, une balle de caoutchouc qu'on serre) ou le maintient en équilibre (une table qui soutient un seau d'eau).

Souvent, les deux effets existent ensemble : un ballon frappé part vite et s'aplatit un instant au moment du choc.

3. La notion de force et ses quatre caractéristiques

Pour décrire une action mécanique avec précision, on la modélise par une force. Une force est entièrement définie par quatre caractéristiques :

1. le point d'application : l'endroit où la force s'exerce (le point de contact pour une action localisée ; le centre de gravité de l'objet pour l'attraction de la Terre) ;
2. la direction (ou droite d'action) : la droite suivant laquelle la force agit, par exemple horizontale, verticale ou inclinée ;
3. le sens : sur cette droite, vers où la force agit (vers la gauche ou vers la droite, vers le haut ou vers le bas) ;
4. l'intensité (ou valeur) : la « force » de l'action, qui se mesure en newtons, de symbole N.

L'unité porte le nom du savant anglais Isaac Newton. Pour avoir une idée : soutenir dans la main un paquet de 100 g demande une force d'environ 1 N ; soutenir un sac de riz de 50 kg demande environ 500 N.

On note une force par une lettre surmontée d'une flèche, par exemple F, et son intensité par la lettre seule, F : on écrit F = 20 N.

Attention au vocabulaire : la direction et le sens sont deux choses différentes. « Verticale » est une direction ; « vers le bas » est un sens. Une direction contient toujours deux sens possibles.

4. Mesurer une force : le dynamomètre

L'intensité d'une force se mesure avec un dynamomètre. C'est un ressort placé dans un tube gradué en newtons, avec un crochet à une extrémité et un anneau à l'autre. Plus la force exercée sur le crochet est grande, plus le ressort s'allonge, et l'aiguille indique l'intensité sur la graduation.

Il existe aussi des pesons utilisés sur les marchés : ce sont des dynamomètres gradués directement en kilogrammes. Tu comprendras dans la leçon suivante pourquoi on peut les graduer ainsi.

5. Représenter une force par un vecteur

Une force se représente sur un schéma par un vecteur, c'est-à-dire une flèche :

• l'origine de la flèche est le point d'application ;
• la droite qui porte la flèche est la direction ;
• la pointe indique le sens ;
• la longueur de la flèche est proportionnelle à l'intensité, grâce à une échelle choisie (par exemple 1 cm pour 10 N).

Longueur de la flèche = intensité ÷ valeur représentée par 1 cm.

On peut aussi faire le chemin inverse : une flèche de 4,5 cm, avec l'échelle 1 cm pour 10 N, représente une force de 4,5 × 10 = 45 N.

6. L'équilibre d'un corps soumis à deux forces

Prenons une boîte posée sur une table et tirée par deux cordes, l'une vers la gauche et l'autre vers la droite. Si la boîte reste immobile, on dit qu'elle est en équilibre. On peut mesurer les deux forces avec deux dynamomètres : on constate toujours la même chose.

Condition d'équilibre. Lorsqu'un corps soumis à deux forces F₁ et F₂ est en équilibre, ces deux forces ont :

• la même direction (la même droite d'action) ;
• des sens contraires ;
• la même intensité : F₁ = F₂.

On dit que les deux forces sont directement opposées et on écrit F₁ + F₂ = 0, ou F₁ = -F₂.

Attention : ces deux forces s'appliquent au même objet (la corde). Ne confonds pas avec la force exercée par la corde sur la main de Kadiatou, qui concerne un autre objet.