La force centrifuge n`existe pas

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 scien-
tifiques, dont Hubert Reeves, en parlent. (Voir la biblio-
graphie.) 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 com-
préhension 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 compré-
hension 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 vi-
tesse, une direction et un sens. On représente le mouve-
ment 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'ob-
jet 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 com-
portement 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.
Voici les deux lois de Newton qui nous concernent direc-
tement :
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 ap-
pliquée 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 vi-
tesse moyenne, entre A et B,
peut être représentée par un
vecteur parallèle à la droite
AB. Pour aller de A à C, l'ob-
jet 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 di-
rection 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.
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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 diffé-
rentes façons par les gens. Nous allons donc voir les intw-
prétations les plus courantes.
La version généralement acceptée est celle qui définit la
force centrifuge comme la force qui attire un objet à l'ex-
térieur 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'ob-
jet. 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 appa-
raître 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 ré-
ponse 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 hypothè-
ses et montrer que la force centrifuge ne peut exister.
La force centrifuge est plus grande que la force
centripète
La première supposi-
tion est que la force
centrifuge est plus
grande que la force
centripète. Dans ce
cas, la force résultante
qui agit sur l'objet
l'entraînerait dans un
virage dans la direc-
tion 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 phéno-
mène.
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 ré-
sultante nulle. Cela implique que l'objet ne peut tourner.
Force
centripète Ob|et
Trajectoire
voulue
Trajectoire
r(elle
Vitesse
Force ,
centripite Ohjet ^Force
centrifuge
puisqu'aucune force ne vient
modifier son état de mouve-
ment. Il continuera donc en
ligne droite, en accord avec la
première loi de Newton.
Comme l'objet ne tourne pas
(ou ne tourne plus, c'est la
même chose), la force centri-
fuge ne peut agir sur lui. L'ob-
jet tente donc à nouveau de
tourner à cause de la force centripète, mais le même phé-
nomène recommence. On constate ici la parfaite incohé-
rence de cette version, car l'objet soi-disant en virage ne
peut toumer.
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 élec-
trique ou magnétique) et avoir une réaction égale et oppo-
sée. 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 centri-
fuge 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 inco-
hérente que les autres.
Objections et réfutations
Certaines personnes peuvent croire que la force centripète
agit, par exemple, sur votre véhicule et que la force centri-
fuge agit sur vous et les objets qu'il y a dans votre automo-
bile. 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
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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 immé-
diatement équilibrée.
Conclusion sur la forcé centrifuge
La force centrifuge ne peut exister car la nature serait tota-
lement incohérente. Imaginez un monde où les objets ne
peuvent tourner et où des forces n'agissent sur rien. Heu-
reusement pour nous, la nature est cohérente.
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 sui-
vante : que se passe-t-il réellenient dans un virage et com-
ment 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 mouve-
ment 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 perpendicu-
laire à la direction de la vitesse de l'objet, qui est, comme
nous-l' avons dit précédemment, suivant la tangente à la
trajectoire.
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 uni-
quement 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 lors-
qu'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.
Conclusion
Pour conclure, nous avons prouvé que la force centrifuge
n'existe pas et nous avons expliqué ce qui se passe réelle-
ment 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 ré-
gissent 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.
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Une nouvelle revue mathématique virtuelle ciblant l'enseignement et
l'apprentissage de la mathématique à l'ordre primaire débute sa nouvelle vie.
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