2.4.1 Premier classement : contact ou à distance
Le premier classement porte sur la manière dont la force s'exerce.
Les forces de contact s'exercent quand les deux corps se touchent : il faut une surface de contact entre eux. Les mains de Marcel sur le cube, le sol sous vos pieds, l'assise de votre chaise, l'air autour de vous — toutes sont des forces de contact. Leur particularité : coupez le contact, et la force disparaît instantanément (levez-vous de votre chaise — la chaise ne vous pousse plus). Et comme elles s'exercent sur toute une surface, en une infinité de points, on les trace toujours en une seule flèche, comme au §2.3.
Parmi elles, une force de contact mérite d'être nommée dès maintenant : la surface sur laquelle un corps repose exerce sur lui une force perpendiculaire à cette surface, qui le soutient — c'est la force normale1. C'est elle que votre chaise exerce sur vous en ce moment, et le sol sur vos pieds. Un objet inerte, sans muscle, produit donc bien une force : sans elle, vous traverseriez l'assise.
Les forces à distance, aussi appelées forces d'attraction, s'exercent sans qu'aucun contact ne soit nécessaire : elles résultent de l'interaction entre les masses, qui s'attirent mutuellement2. La Terre attire votre corps, celui de Marcel et son cube sans les toucher. Dans ce cours, une seule force à distance interviendra : la force gravitationnelle.
Cette catégorie est contre-intuitive, car dans la vie courante nous sommes presque toujours en contact avec la Terre — directement par les pieds, ou indirectement par la chaise, le plancher, le bâtiment. Deux situations prouvent pourtant qu'elle agit sans toucher : lâchez le cube du haut d'un gratte-ciel — plus aucun contact avec quoi que ce soit, et pourtant il chute ; sautez — pendant que vous êtes en l'air, rien ne vous touche, et pourtant vous retombez.
2.4.2 Second classement : externe ou interne
Le second classement ne porte pas sur la manière dont la force s'exerce, mais sur son origine par rapport au corps qu'on étudie.
Une force externe est exercée par quelque chose d'extérieur au corps étudié : la chaise qui vous porte, la force gravitationnelle, les mains de Marcel sur le cube. Une force interne est exercée à l'intérieur du corps lui-même : vos muscles qui tirent sur vos os, par exemple.
Cette distinction demande une précision, sans laquelle elle semble contredire l'expérience : tout dépend du corps qu'on choisit d'étudier. Avant de classer une force en externe ou interne, il faut donc délimiter le corps étudié — c'est la première étape de tout raisonnement de cinétique3.
Prenons une flexion de coude. Si le corps étudié est l'avant-bras, la force exercée par le biceps sur lui est externe — le biceps, ancré sur le bras et l'épaule, est extérieur à l'avant-bras — et c'est bien elle qui met l'avant-bras en mouvement. Si le corps étudié est la personne entière, la même force devient interne : elle déplace un segment par rapport aux autres (l'avant-bras se rapproche du bras), mais elle ne déplace pas la personne dans la pièce — fléchir le coude ne vous fait pas avancer d'un centimètre.
D'où la règle : les forces internes réorganisent les segments du corps étudié les uns par rapport aux autres ; elles ne peuvent pas modifier son mouvement d'ensemble, c'est-à-dire le déplacement global de ce corps dans l'espace — seule une force externe le peut4. La raison tient en une phrase : à l'intérieur du corps étudié, les forces internes vont toujours par paires — le muscle tire sur l'os, l'os tire sur le muscle — et ces paires se compensent dans la somme. C'est pour cette raison que, lorsque nous rassemblerons toutes les forces d'un corps sur un même schéma (§2.5), seules les forces externes y figureront : ce schéma sert à prédire le mouvement d'ensemble.
Notez que les deux classements sont indépendants : une force de contact peut être externe (la chaise sur vous) ou interne (le muscle sur l'os, si le corps étudié est la personne entière — il y a bien contact, par le tendon) ; la force à distance de ce cours, la force gravitationnelle, est toujours externe, puisqu'elle est exercée par la Terre.
- Force de contact
- Force qui s'exerce quand deux corps se touchent, sur leur surface de contact. Si le contact est rompu, elle disparaît instantanément.
- Force à distance (ou d'attraction)
- Force qui s'exerce sans contact, par l'interaction entre les masses. Dans ce cours : la force gravitationnelle.
- Force normale
- Force de contact qu'une surface exerce, perpendiculairement à elle-même, sur le corps qui repose dessus. Elle le soutient.
- Force externe
- Force exercée sur le corps étudié par quelque chose d'extérieur à lui, une fois ses limites délimitées. Seule une force externe peut modifier le mouvement d'ensemble de ce corps.
- Force interne
- Force exercée entre les éléments du corps étudié (les muscles sur les os, pour une personne entière). Les forces internes réorganisent les segments du corps étudié, mais ne modifient pas son mouvement d'ensemble. La même force peut être interne ou externe selon le corps qu'on délimite.
- Classer une force selon les deux classements — contact / à distance, et externe / interne — après avoir délimité le corps étudié.
- Expliquer, avec un exemple, pourquoi une force à distance n'a besoin d'aucun contact pour s'exercer.
- Définir la force normale et la reconnaître dans une situation courante.
- Expliquer pourquoi seules les forces externes peuvent modifier le mouvement d'ensemble d'un corps.