Les forces

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discipline fondamentale
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La première loi de Newton
En 1687, Newton énonça sa première loi du mouvement, qu’il déduit des travaux de Galilée et
de Descartes :
Première loi de
Newton
Tout corps conserve son état de repos ou de mouvement rectiligne uniforme à
moins que des forces n’agissent sur lui et ne le contraignent à changer d’état.
Cette loi fait intervenir une propriété appelée inertie :
Inertie
L’inertie d’un corps est sa tendance à résister à toute variation de son état de
mouvement.
En d’autres termes, un objet a tendance à rester au repos s’il est au repos et à rester en
mouvement à vitesse constante s’il est en mouvement.
La première loi implique donc qu’une variation de vitesse (une accélération) est produite par
une force.
vitesse de déplacement
traction
frottement
Lorsqu’on exerce une traction sur le bloc représenté, on peut le déplacer sur la droite. Il est
soumis à deux forces, l’une de traction dans la ficelle, l’autre de frottement sur le sol. Si les
modules de ces forces sont identiques, le bloc se déplace à vitesse constante.
vitesse Si on fait tourner une pierre attachée à une
corde, sa trajectoire sera circulaire, la
vitesse de la pierre sera dirigée selon la
tangente en tout point. A cause de son
inertie, la pierre a tendance à poursuivre son
chemin en ligne droite. La traction dans la
ficelle l’empêche de suivre ce trajet naturel
d’inertie.
Si la corde lâche, la pierre ne sera plus
soumise à aucune force et ainsi, elle obéira
à la première loi de Newton.
La force est perçue comme une poussée ou une traction. On peut distinguer des forces de
contact : exercées par les cordes, des ressorts, de frottement et des forces d’action à distance :
la gravitation comme l’interaction de la Terre et du Soleil, les forces électriques ou
magnétiques.
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La masse est définie intuitivement par Newton comme la quantité de matière d’un corps.
Cette définition ne permet pas d’établir des comparaisons entre les corps. C’est pourquoi la
première loi de Newton nous donne une meilleure définition :
La masse d’un corps est la mesure de son inertie, c’est-à-dire de sa résistance aux
variations de vitesse.
Masse
Une fois l’étalon de mesure choisi, le kilogramme, on peut le comparer à n’importe quel autre
pour déterminer la masse de n’importe quel autre corps.


Fnette  ma
Deuxième loi
de Newton
L’unité de la force est le newton noté N.
m
1N  1kg  2
s


La force nette ou force totale est la somme des forces qui agissent sur un objet : Fnette   F
Exemples
1 La poussée totale des réacteurs d’un Boeing 747 est de 8,8×105 N . La masse de l’avion au
décollage est de 3,0×105 kg . Quelle est son accélération au décollage ? Si l’avion part du
repos, quelle sera sa vitesse après 10 s ? On néglige les forces de frottement.
2 Une automobile de 1200 kg est sur une plaque de verglas (pas de frottement). On lui attache
deux cordes et on exerce les forces F1 = 800 N à 35° nord par rapport à l’est et F2 = 600 N à
25° sud par rapport à l’est. Quelle est l’accélération de l’auto ?
Le poids
Le poids d’un objet est la force gravitationnelle qui agit sur lui.

mg
On confond souvent les notions de masse et de poids. La première est la mesure de l’inertie
d’un objet, la seconde la force gravitationnelle exercée sur un corps.
La masse est une grandeur scalaire intrinsèque pour un objet. Le poids est une grandeur
vectorielle, qui dépend de l’endroit où nous sommes situés (en fait dépend de g).
Représentation de forces
a) une voiture accélérant
b) chute libre
c) idem avec frottement
d) un objet posé sur la table
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Une force est toujours exercée par un corps sur un autre. On ne peut pas parler de la force
d’un corps. On pousse une voiture qui nous résiste.

FAB désigne la force exercée sur l’objet A par l’objet B.
Troisième loi
de Newton
Si une force est exercée par un objet sur un autre, une force égale en module est
exercée par le second objet sur le premier, se sens opposé.


FAB   FBA
FPT
Il y a attraction entre l’homme et la Terre.

est la force subie par la Terre due au personnage.
FTP

est la force subie par le personnage due à la Terre.
FPT
FT P
Exercices.
1. Calculer la force constante nécessaire pour faire accélérer une voiture de 1225 kg dans
chacun des cas suivants :
(a) elle part du repos et atteint 96 km/h en 10 s ;
(b) elle freine, passant de 112 km/h au repos en 64 m. Quelle est, dans chaque cas,
l’origine de la force ?
2. Une personne baisse de 15 cm son torse de 50 kg et saute verticalement. Si le torse s’élève
40 cm au dessus de sa hauteur normale, trouver la grandeur de la force exercée sur le torse
au niveau de la hanche par la partie inférieur du corps.
3. Une fusée Saturn V a une masse de 2,7 106 kg et une poussée de 3,3 107 N . Quelle est
son accélération verticale initiale?
4. Une parachutiste de 70 kg et son parachute de 7 kg tombent à une vitesse constante de
6 m/s. Déterminer :
a) la force exercée par le parachute sur la parachutiste;
b) la force exercée par l'air sur le parachute. (On néglige la force exercée par l'air sur la
parachutiste)
5. Un garçon de masse 75 kg et une jeune fille de masse
60 kg sont attachés par une corde de masse négligeable
(figure). Ils se déplacent horizontalement sur une patinoire
sans frottement. Le garçon est tiré par une force
horizontale de 200 N.
Déterminer leur accélération et la
tension dans la corde.
6. Un bloc de 7 kg est suspendu par deux cordes. Trouver la tension
de chaque corde (voir figure).
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7. Une personne baisse de 15 cm son torse de 50 kg et saute verticalement. Si le torse s’élève
40 cm au dessus de sa hauteur normale, trouver la grandeur de la force exercée sur le torse
au niveau de la hanche par la partie inférieur du corps.
8. Une jeune fille tombe d'une plate-forme située à 1,0 m au-dessus du sol. Calculer la force
exercée sur son torse de 40 kg lorsqu'elle touche le sol.
(a) en pliant les genoux et en arrêtant le torse sur 30 cm;
(b) avec raideur en arrêtant le torse sur 4 cm.
9. Calculer la force F nécessaire à maintenir immobile la masse de 9 kg dans les deux cas
présentés.
10. Un bloc de 9 kg est retenu par un système de poulies (figure). Quelle force la personne
doit-elle exercer dans les cas suivants :
a) pour garder le bloc au repos;
b) pour le faire descendre à 2 m/s;
c) pour le faire monter avec une accélération de
0,5 m s2