2.4 Deux façons de classer les forces
Les forces qui s'exercent sur un corps se rangent selon deux classements indépendants : d'après la manière dont elles s'exercent — par contact ou à distance — et d'après leur origine par rapport au corps étudié — externe ou interne. Cette section définit les quatre catégories et montre pourquoi la distinction externe / interne est décisive pour prédire un mouvement. À la fin de cette section, vous devez être capable de classer n'importe quelle force selon les deux classements, et d'expliquer pourquoi seules les forces externes peuvent modifier le mouvement d'ensemble d'un corps.
La section 2.3 a appris à décrire une force. Toutes les forces ne jouent pourtant pas le même rôle : certaines exigent un contact entre les deux corps, d'autres non ; certaines viennent de l'extérieur du corps étudié, d'autres de l'intérieur. Cette section les range selon ces deux classements, et le second dira lesquelles peuvent modifier le mouvement d'ensemble d'un corps.
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 porte sur l'origine de la force : vient-elle de l'extérieur du corps étudié, ou de l'intérieur ? Pour répondre, il faut d'abord avoir choisi le corps étudié — c'est la première étape de tout raisonnement de cinétique3.
- Une force externe est exercée sur le corps étudié par quelque chose qui n'en fait pas partie : si le corps étudié est votre corps, la chaise qui vous porte et la Terre qui vous attire ; si c'est le cube, les mains de Marcel qui le poussent.
- Une force interne est exercée par une partie du corps étudié sur une autre partie de ce même corps : si le corps étudié est votre corps, vos muscles qui tirent sur vos os.
Une même force peut donc changer de catégorie selon le corps étudié. Dans une flexion du coude, le biceps tire sur l'avant-bras :
- si le corps étudié est l'avant-bras, le biceps n'en fait pas partie : sa force est externe : elle peut donc modifier le mouvement de l'avant-bras ;
- si le corps étudié est la personne entière, le biceps en fait partie : la même force devient interne. Elle rapproche l'avant-bras 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 déplacent les parties du corps étudié les unes par rapport aux autres, mais elles ne peuvent pas modifier son mouvement d'ensemble, c'est-à-dire son déplacement dans l'espace ; seule une force externe le peut4. C'est pourquoi, quand toutes les forces exercées sur un corps seront rassemblées sur un même schéma (§2.5), seules les forces externes y figureront.
- 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 déplacent les parties du corps étudié les unes par rapport aux autres, 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.