Chapitre 4

Chapitre 4 : Les forces
Aborder la mécanique sans traiter de la nature des forces serait un non-sens. Aussi nous
proposons ici, de matière non-exhaustive, d’aborder :
• Les forces fondamentales connues dans l’univers connu (notez les précautions
oratoires) et qui sont au nombre de quatre.
• Les forces de frottement, parce qu’elles sont essentielles en mécanique. Par
exemple, un mécanicien sait parfaitement qu’il est nécessaire de laisser un jeu entre
des pièces mécaniques pour ne pas bloquer le système. Il sait également qu’un jeu
d’un centième de millimètre est bien souvent une utopie de théoricien. Ce jeu est
requis à cause des forces de frottements et il est souvent nécessaire de bien choisir
la nature des matériaux en contact (pièces en laiton, poudres métalliques associées
à du graphite etc) qui réduisent les frottements ou lubrifient les contacts (cas du
graphite pour les pièces mobiles).
• Quelques forces comme la tension, pour mémoire.
4.1 Les interactions fondamentales.
Elles sont au nombre de quatre :
• L’interaction gravitationnelle (la force de gravité)
• L’interaction électromagnétique (qui inclut les forces électrostatiques et magnétiques
mais aussi toute les aspects ondes électromagnétiques), et qui est responsable de la
cohésion de la matière que nous connaissons (liaisons chimiques)
• L’interaction forte, qui est responsable de la cohésion du noyau atomique (qui devrait,
en toute logique, exploser par répulsion coulombienne).
• L’interaction faible, qui est responsable de la radioactivité béta.
L’interaction forte est vraiment forte mais à portée très limitée (le rayon de l’atome).
L’interaction électromagnétique est plus faible mais de portée infinie, et nous en sommes le
résultat (liaisons chimiques). L’existence de charges opposées qui se compensent fait que
nous ne la voyons pas (les objets macroscopiques sont neutres).
La pesanteur est infiniment plus faible, mais il n’y a pas de charges opposées : elle domine à
grande échelle et est responsable de la structure et de l’évolution de l’univers.
On soupçonne, ou l’on espère (ou bien encore l’on croit) que ces forces seraient les mêmes
facettes de la même force, et un des objectifs majeurs de la physique contemporaine est
cette unification, « grande unification », « théorie du tout » etc, très à la mode dans les
revues de vulgarisation. Il serait cependant totalement injuste d’oublier les autres aspects de
la physique, dont les retombées sociétales sont d’ailleurs essentielles (physique des
matériaux, des fluides etc). Cette recherche d’unification a conduit à la réalisation
d’accélérateurs de particules d’énergie croissante. Notamment le LEP puis maintenant le
LHC au CERN.
Cette démarche est légitime : Newton a montré que la mécanique céleste et la pesanteur
n’étaient que la même force. Maxwell a unifié électrostatique et magnétisme au sein d’un
même formalisme qui a débouché sur la relativité restreinte. On a montré au XXème siècle
que l’interaction faible pouvait être unifiée à l’électromagnétisme (découverte des bosons
vecteurs au CERN en 1983 – Carlo Rubbia et Simon Van der Meer prix Nobel).
Ces interactions ont dû intégrer la mécanique quantique. Ainsi on a reformulé
l’électromagnétisme en Electrodynamique Quantique (QED, Feynman et al.) avec un succès
considérable et un accord théorie/expérimentation extraordinaire. On s’est appuyé sur ce
succès pour la description quantique de l’interaction forte (Chromodynamique quantique ou
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QCD). On cherche maintenant à unifier QED et QCD (modèles dits de supersymétrie, qui
prédisent de nouvelles particules).
Enfin, le rêve ultime serait d’unifier tout cela avec la gravitation, ce qui pour l’instant et
malgré quelques théories très en vogue, et portées par les esprits les plus brillants, reste un
échec (théorie des cordes, gravité à boucles, géométrie non-commutative)
Les interactions fondamentales (Auteur : Mme Fabienne Ledroit – Laboratoire de Physique
Subatomique et de Cosmologie – Grenoble et CERN)
Les échelles de la physique (Auteur : Mme Fabienne Ledroit – Laboratoire de Physique
Subatomique et de Cosmologie – Grenoble et CERN)
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u
u
u
u
d
d
Du plus grand au plus petit (CERN)
4.2 Qu’est ce qu’une force ?
Imaginer une action à distance sans vecteur de transmission peut sembler difficile. C’est
même faux.
Les interactions se font par échange de particules appelées « bosons » et nos 4 interactions
se propagent donc grâce aux bosons décrits ci-dessous. On n’a pas à ce jour découvert le
graviton.
Forces (extrait du cours de Johann Collot)
Les interactions et les bosons (particules qui transmettent l’interaction) associés - CERN
3

4.3 Particules élémentaires
On montre qu’elles se divisent en 3 familles. Les mesures de la masse du boson Z0 au
CERN on permis de montrer qu’il n’existe que 3 familles. La matière usuelle n’est composée
que de la première famille (les autres particules sont instables).
NB : les quarks ne peuvent être isolés que par binômes ou trinômes. En particuliers ils ne
sont jamais seuls.
Les trois familles de particules (CERN)
Les fermions (constituants de la matière, CERN)
4

Les bosons (transmission d’interaction, CERN)
Propriétés des interactions (CERN)
4.4 Forces électromagnétiques
Force électrostatique ou Loi de Coulomb :
Deux particules de charge q1 et q2 situées respectivement aux points A et B exercent l’une
sur l’autre une force :
→
=
−=−==
ABr
u
r
qq
Fu
r
qq
FABABBABA /
2
0
21
//
2
0
21
/44
r
r
r
r
πεπε
Où est le vecteur unitaire orienté de A vers B et r la distance de A à B.
BA
u/
r
On peut également écrire (attention, une puissance 3 apparaît):
→
=AB
r
qq
FBA 3
0
21
/4
πε
r
ε0 est la permittivité du vide et vaut 8.85 10-12 F/m.
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