La force centrifuge n`existe pas
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La force centrifuge n'existe pas... Patrick Harvey-Collard Introduction Depuis toujours, les gens sont bourrés de croyances. En physique, la plus répandue est celle de la force centrifuge. Cette croyance est tellement répandue que plusieurs scientifiques, dont Hubert Reeves, en parlent. (Voir la bibliographie.) Cette croyance amène plusieurs personnes à croire des choses erronées, et de fait plusieurs ne comprennent pas la dynamique réelle d'un virage. Dans cet article, nous allons établir certaines notions nécessaires à la bonne compréhension des explications, nous allons définir la force centrifuge, nous allons prouver qu'une telle force n'existe pas et finalement nous allons expliquer la vrai dynamique d'un virage. Notions de base Les explications qui suivent nécessitent la bonne compréhension de certaines notions, de même que la maîtrise d'un certain vocabulaire. Nous allons donc résumer certaines notions de physique. Le mouvement et les forces Un mouvement est caractérisé par trois choses : une vitesse, une direction et un sens. On représente le mouvement sur un schéma par une flèche appelée vecteur. La flèche indique la direction et le sens du mouvement et sa longueur, la vitesse. Modifier l'état de mouvement (soit la vitesse, la direction ou le sens) d'un objet nécessite l'application d'une force, car aucun objet ne peut modifier son état de mouvement sans « une bonne raison de le faire » (voir la première loi de Newton). Toute force qui n'est pas équilibrée (annulée par une force de même grandeur et direction, mais de sens contraire) modifie donc l'état de mouvement de l'objet sur lequel elle agit. Quand plusieurs forces agissent sur un même objet, l'objet se comporte comme si une seule force agissait sur lui. Cette force unique est une sorte de « résumé » de toutes les forces qui agissent sur l'objet et décrit à elle seule le comportement que l'objet aura. On l'appelle la force résultante. Les lois de Newton Isaac Newton est un grand scientifique et le précurseur de la physique modeme. D a énoncé trois principes universels qui régissent toutes les interactions en physique classique. Ils ont une importance capitale pour les démonstrations. ENVOL, NO 130 Voici les deux lois de Newton qui nous concernent directement : 1) Tout corps au repos tend à rester au repos. Tout corps en mouvement rectiligne uniforme tend à rester en mouvement rectiligne uniforme. Un mouvement rectiligne uniforme est simplement un déplacement en ligne droite à vitesse constante. Cette loi stipule que sans l'action d'une force, rien ne peut faire changer l'état de mouvement d'un objet. 2) Toute action engendre une réaction égale et opposée à l'action. Par action, on veut dire une force. Cette loi veut dire que chaque fois qu'un corps applique une force sur un autre corps, il subit lui-même une force qui est égale mais opposée (dans l'autre sens) à la force qu'il a appliquée sur l'objet. La direction dans un virage Dans un virage, la direction de notre vitesse est toujours tangente à la courbe suivie, peu importe la vitesse et la forme de la courbe. En voici la preuve. Imaginons un objet au point A suivant une trajectoire quelconque ACB. L'objet en A met un certain temps pour se rendre au point B. Sa vitesse moyenne, entre A et B, peut être représentée par un vecteur parallèle à la droite AB. Pour aller de A à C, l'objet prend moins de temps et la direction de sa vitesse moyenne est parallèle à la droite AC. Plus l'intervalle de temps est court, plus la direction de la vitesse moyenne se rapproché de la tangente à la courbe. À la limite, quand l'intervalle de temps est infiniment petit, là direction de la vitesse de l'objet (donc la direction de l'objet) est la tangente à la courbe. Cela signifie, entre autres, que si l'objet arrêtait de toumer au point A, il se dirigerait vers le point P. Notons que tous les virages de cet article sont à vitesse constante. JANVIER-FÉVRIER-MARS 2005 35 La force centrifuge Définir la force centrifuge Le mot « centrifuge » vient du latin centrum, pour centre, et de fugalis, qui veut dire fuir. Le mot « centrifuge » veut donc dire « qui fuit le centre. » La force centrifuge, selon la façon dont ce « concept » est perçu, est définie de différentes façons par les gens. Nous allons donc voir les intwprétations les plus courantes. La version généralement acceptée est celle qui définit la force centrifuge comme la force qui attire un objet à l'extérieur d'un virage. De façon plus précise, on s'entend pour dire qu'elle agit perpendiculairement à la vitesse, donc à la trajectoire suivie, sinon elle modifierait la vitesse de l'objet. Si on admet son existence, on doit se demander si elle peut être plus petite, égale, ou plus grande que la force centripète (force qui est constamment dirrigée vers un point fixe, nous dit Newton). Montrer que la force centrifuge n'existe pas Premièrement, notons que la force centrifuge n'a aucune signification en physique, car aucune force ne peut apparaître simplement à cause du virage. Comment la nature ferait-elle pour faire la différence entre un objet qui tourne et un qui ne tourne pas? De fait, il n'y a qu'une seule réponse possible : la nature ne « sait » pas que l'objet tourne. Cette preuve est suffisante, mais aussi très abstraite. Nous allons donc analyser les conséquences des trois hypothèses et montrer que la force centrifuge ne peut exister. La force centrifuge est plus grande que la force centripète La première supposition est que la force centrifuge est plus grande que la force centripète. Dans ce cas, la force résultante qui agit sur l'objet Force l'entraînerait dans un centripète Ob|et virage dans la direction opposée à celle désirée, et la force centrifuge deviendrait alors la force centripète, car c'est elle qui est vers l'intérieur du virage. On voit tout de suite que cette version n'a absolument aucun sens. Voici ci-contre un schéma pour visualiser le phénomène. La force centrifuge est égale à la force centripète La seconde idée est que la force centrifuge est égale à la force centripète. Dans ce cas, la force centrifuge viendra équilibrer la force centripète, ce qui donne une force résultante nulle. Cela implique que l'objet ne peut tourner. 36 puisqu'aucune force ne vient modifier son état de mouvement. Il continuera donc en Trajectoire ligne droite, en accord avec la voulue Vitesse première loi de Newton. Comme l'objet ne tourne pas (ou ne tourne plus, c'est la même chose), la force centri^Force Force , centrifuge centripite Ohjet fuge ne peut agir sur lui. L'objet tente donc à nouveau de tourner à cause de la force centripète, mais le même phénomène recommence. On constate ici la parfaite incohérence de cette version, car l'objet soi-disant en virage ne peut toumer. Trajectoire r(elle E N V O L ,NO 130 La force centrifuge est plus petite que la force centripète Cette partie est la plus délicate et nous devons nous référer à la preuve citée précédemment. La nature ne peut faire apparaître une force comme par magie, car elle ne fait pas la distinction entre un objet qui tourne et un objet qui va en ligne droite. Pour qu'une force s'applique sur l'objet vers l'extérieur du virage, elle devrait être causée par un autre corps (par collision, par gravitation ou par interaction électrique ou magnétique) et avoir une réaction égale et opposée. Seulement, cette force égale et opposée n'agirait sur rien car cet autre corps n'existe pas : l'objet en virage n'a pas besoin d'interagir avec un autre corps pour toumer, autre que celui qui le tire dans le virage. (Notez que cette preuve fonctionne pour toutes les autres versions de la force centrifuge.) Si vous avez de la misère à le concevoir, imaginez une fusée qui utilise son moteur pour toumer dans l'espace. Son moteur fait apparaître la force centripète, mais il n'y a rien d'autre pour créer la force centrifuge. Certaines personnes pourraient croire que la force centrifuge est la réaction égale et opposée à la force centripète, mais c'est faux. Nous reviendrons sur ce point plus loin dans le texte. Il est maintenant évident que cette version est aussi incohérente que les autres. Objections et réfutations Certaines personnes peuvent croire que la force centripète agit, par exemple, sur votre véhicule et que la force centrifuge agit sur vous et les objets qu'il y a dans votre automobile. C'est impossible, car là encore rien ne peut tirer sur vous, sauf votre véhicule qui vous tire dans le virage. Certains croient que la force centrifuge est la réaction égale et opposée à la force centripète. Là encore, c'est faux : il s'agit d'une mauvaise interprétation de la seconde loi de JANVIER-FÉVRIER-MARS 2005 36 Newton, car la réaction égale et opposée à une force agit toujours sur un autre corps que celui qui crée la force. Si ce n'était pas le cas, aucun objet ne pourrait changer d'état de mouvement car toute force agissant surlui serait immédiatement équilibrée. Conclusion sur la forcé centrifuge La force centrifuge ne peut exister car la nature serait totalement incohérente. Imaginez un monde où les objets ne peuvent tourner et où des forces n'agissent sur rien. Heureusement pour nous, la nature est cohérente. La force égale et opposée à la forcé centripète agit sur le corps qui vous tire dans le virage, comme par exemple une cordé, le bras de quelqu'un ou le revêtement de la route. La sensation d'être tiré à l'extérieur du virage La sensation d'être tiré à l'extérieur du virage est due uniquement à notre résistance à changer d'état de mouvement, ce qu'on appelle l'inertie et qui vient de la seconde loi de Newton. Le phénomène est exactement le même que lorsqu'on accélère, comme par exemple en automobile, où l'on se sent tiré (ou écrasé) en arrière, mais il agit de côté et non de face et il vient de l'action de la force centripète. La dynamique des virages Maintenant que nous savons que la force centrifuge n'existe pas, il est naturel et essentiel de se poser la question suivante : que se passe-t-il réellenient dans un virage et comment expliquer la sensation d'être tiré à l'extérieur d'un virage? Le virage Un virage est un changement de direction, ce qui implique qu'un objet en virage change constamment de direction. Ce changement de direction nécessite l'action d'une force, appelée force centripète, pour modifier l'état de mouvement de l'objet qui tourne. À vitesse constante, une seule force agit sur l'objet : celle qui le tire dans son virage. Elle est toujours perpendiculaire à la direction de la vitesse de l'objet, qui est, comme nous-l' avons dit précédemment, suivant la tangente à la trajectoire. Conclusion Pour conclure, nous avons prouvé que la force centrifuge n'existe pas et nous avons expliqué ce qui se passe réellement dans un virage. Il faut tirer une leçon de cette croyance : souvent, on croit des choses parce que d'autres les croient, ou encore parce qu'on ne s'est jamais vraiment demandé si ce qu'on croit a du sens. Croire aveuglément des choses ne conduit pas seulement à une mauyiaise compréhension des lois qui régissent l'univers, mais à des guerres et des. injustices... Bibliographie Cette bibliographie contient la référence sur Hubert Reeves, cité dans l'introduction. Hubert Reeves : « Ces vitesses s'accompagnent d'une force centrifuge qui compense l'attraction solaire... » Reeves, Hubert, Dernières nouvelles du cosmos. Éditions du Seuil, Paris, 1994, p.77. Ma VI s n a r JZ Une nouvelle revue mathématique virtuelle ciblant l'enseignement et l'apprentissage de la mathématique à l'ordre primaire débute sa nouvelle vie. http://spip.cslaval.qc.ca/mathvip/ ENVOL, NO 130 JANVIER-FÉVRIER-MARS 2005 37
