Sciences · Physique
Actions mécaniques et forces
Une action mécanique est l’effet qu’un objet exerce sur un autre : elle peut le mettre en mouvement, modifier son mouvement ou le déformer. On la modélise par une force, mesurée en newtons (N).
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Pousser une porte, tirer une valise, lancer un ballon, attirer un trombone avec un aimant : dans chaque cas, un objet agit sur un autre. En physique, on parle d'action mécanique. Au collège (cycle 4 en France), on apprend à les classer, à les représenter dans un diagramme objet-interaction, puis à les modéliser par des forces. Ces notions préparent les lois de Newton étudiées au lycée.
Actions de contact et actions à distance
| Type | Définition | Exemples |
|---|---|---|
| Action de contact | L’acteur touche le receveur | Main qui pousse un chariot, pied qui frappe un ballon, sol qui soutient un livre, frottements de l’air, corde qui tire |
| Action à distance | Pas de contact nécessaire | Attraction de la Terre (poids), aimant sur un clou, attraction électrique d’une règle frottée sur des confettis |
Une action de contact peut être localisée (en un point : le doigt sur un bouton) ou répartie (sur une surface : l’eau sur la coque d’un bateau, l’air sur une voile).
Il n’existe que trois grands types d’actions à distance à notre échelle : gravitationnelle (voir gravitation), électrique et magnétique.
Le diagramme objet-interaction
Pour étudier un système, on commence par dresser la liste de tout ce qui agit sur lui :
- Écrire le système étudié dans une bulle (ellipse) au centre.
- Écrire dans d’autres bulles tous les objets qui interagissent avec lui.
- Relier chaque objet au système par un trait : trait plein pour une interaction de contact, trait pointillé pour une interaction à distance.
Le principe des actions réciproques
On parle d'interaction : les actions vont toujours par paires. La Terre attire la Lune, et la Lune attire la Terre avec une force de même valeur ; un nageur pousse l’eau vers l’arrière et l’eau le pousse vers l’avant ; une fusée éjecte des gaz qui la propulsent en retour. C’est la troisième loi de Newton.
Les deux forces s’exercent sur deux objets différents : elles ne se compensent jamais l’une l’autre. Le livre posé sur la table n’est pas immobile « grâce » à cette paire, mais parce que deux forces exercées sur le livre (son poids et l’action de la table) se compensent.
De l’action à la force
On modélise chaque action mécanique par une force, représentée par un vecteur (voir représentation d’une force) et caractérisée par :
- son point d’application ;
- sa direction (la droite d’action) ;
- son sens ;
- sa valeur (ou intensité), en newtons (N), mesurée avec un dynamomètre.
Ordres de grandeur : le poids d’une pomme est d’environ 1 N ; celui d’un adulte de 70 kg d’environ 690 N ; la poussée d’un moteur d’avion de ligne se compte en centaines de milliers de newtons.
Expérience classique : le dynamomètre et les aimants
Matériel : un dynamomètre de 0 à 10 N, des masses marquées, deux aimants droits, un trombone, deux chariots à roulettes.
- Accrocher des masses au dynamomètre : mesurer l’action de la Terre (le poids). Une masse de 100 g donne environ 1 N.
- Approcher un aimant d’un trombone posé sur la table sans le toucher : action à distance.
- Placer un aimant sur chaque chariot, pôles identiques face à face, puis lâcher : les deux chariots s’éloignent l’un de l’autre, illustrant la réciprocité.
Erreurs fréquentes
- Oublier une action à distance, en particulier le poids, dans le diagramme.
- Croire qu’un objet immobile ne subit aucune action : il en subit qui se compensent.
- Penser que dans une interaction, l’objet le plus gros agit plus fort : la Terre et une pomme s’attirent avec des forces de même valeur ; c’est la pomme qui bouge le plus, car sa masse est beaucoup plus faible.
- Confondre force et masse : la masse (kg) est une quantité de matière, le poids (N) une force. Voir masse et poids.
Exercice corrigé
Énoncé. Un skieur descend une piste en tenant la perche d’un téléski. 1) Dresser le diagramme objet-interaction du skieur. 2) Classer les actions en actions de contact et à distance. 3) Quelle action exerce le skieur sur la perche ?
Corrigé.
- Système : le skieur. Objets en interaction : la Terre, la piste (neige), la perche, l’air.
- À distance : la Terre (poids). De contact : la piste (soutien et frottements), la perche (traction), l’air (frottements).
- D’après le principe des actions réciproques, le skieur exerce sur la perche une action de même direction et de même valeur, mais de sens opposé à celle que la perche exerce sur lui : il la tire vers l’arrière.
Questions fréquentes
Qu’est-ce qu’une force qui se compense ?
Deux forces s’exerçant sur le même objet, de même direction, de même valeur et de sens opposés, ont des effets qui s’annulent. L’objet est alors immobile ou en mouvement rectiligne uniforme : c’est le principe d’inertie. Voir inertie.
Le frottement est-il une action de contact ?
Oui. Les frottements s’exercent au contact de deux surfaces, ou d’un objet et d’un fluide comme l’air ou l’eau, et s’opposent au glissement.
Pourquoi dit-on « interaction » plutôt qu'« action » ?
Parce qu’une action n’existe jamais seule : si A agit sur B, B agit sur A. Le mot interaction souligne cette réciprocité.