Qu'est-ce qu'une force ?

Un newton correspond à peu près au poids d'une petite pomme tenue dans la main.

Pousser et tirer

Dans la vie courante, une force est une poussée ou une traction. Tu pousses une porte, tires un tiroir, frappes un ballon ou t'appuies contre un mur. En physique, une force peut modifier le mouvement ou la forme d'un objet : le mettre en mouvement, l'arrêter, l'accélérer, le ralentir, le faire tourner, l'écraser ou l'étirer. Une force s'exerce toujours entre deux objets. Ta main pousse la porte ; la Terre attire la pomme ; la route agit sur les pneus. Si tu ne peux pas nommer le second objet, tu n'as probablement pas identifié une véritable force.

Certaines forces nécessitent un contact : le frottement entre une caisse et le sol, la tension d'une corde, la poussée du sol qui te soutient (appelée réaction normale, car elle est perpendiculaire à la surface), ou la traînée de l'air et de l'eau. D'autres agissent à distance : la gravitation, la force électrique entre charges et la force magnétique entre aimants. L'attraction du Soleil traverse 150 millions de kilomètres d'espace presque vide pour maintenir la Terre sur son orbite.

Mesurer une force en newtons

Les forces se mesurent en newtons (N), du nom d'Isaac Newton. Un newton est la force qui donne à une masse de 1 kg une accélération de 1 m/s² : 1 N = 1 kg·m/s². Cela semble abstrait, mais c'est une petite force familière. Une petite pomme d'environ 100 g pèse à peu près 1 N sur Terre. Soutenir un sac de sucre de 1 kg demande environ 9.8 N. Un dynamomètre à ressort, comme ceux servant à peser les bagages, mesure directement une force : le ressort s'allonge proportionnellement à la traction.

Les forces s'additionnent comme des flèches

Une force est un vecteur : sa direction et son sens comptent. Deux personnes tirant un chariot dans le même sens avec 30 N et 20 N exercent au total 50 N. Si elles tirent en sens opposés, la somme vaut 30 − 20 = 10 N dans le sens de la traction la plus forte. La somme de toutes les forces exercées sur un objet s'appelle la résultante des forces. Pour combiner deux forces perpendiculaires, on les représente par les côtés d'un triangle rectangle : 3 N vers l'est et 4 N vers le nord donnent 5 N vers le nord-est, d'après Pythagore.

Lorsque les forces exercées sur un objet se compensent, leur résultante est nulle : les forces sont équilibrées. Un livre posé sur une table en est un bon exemple : la pesanteur l'attire vers le bas et la table le pousse vers le haut avec la même intensité. Dans un tir à la corde où aucun camp ne bouge, les équipes peuvent tirer avec des centaines de newtons, mais la résultante sur la corde est nulle. Les forces non équilibrées modifient le mouvement : c'est le sujet des lois de Newton dans la leçon suivante.

Le diagramme des forces

Pour faire le bilan des forces, les physiciens tracent un diagramme : représente l'objet par un rectangle ou un point, puis trace une flèche pour chaque force qui s'exerce sur lui, en partant de l'objet dans le sens de la force. La longueur des flèches indique l'intensité. Pour une caisse poussée sur le sol, il y a quatre flèches : le poids W vers le bas, la réaction normale N vers le haut, ta poussée F et le frottement f en sens opposé au mouvement.