CONCEPTION ET ÉLABORATION CONCEPTION ET ÉLABORATION D’UN DIDACTICIEL

CONCEPTION ET ÉLABORATION CONCEPTION ET ÉLABORATION D’UN DIDACTICIEL

LA NOTION D’UNE FORCE 

 Généralités sur la force

Le concept de force est ancien, mais il a mis longtemps à obtenir une définition utilisable. En effet, à la différence de grandeurs physiques telles que la longueur et/ou la masse qui sont représentées par des grandeurs scalaires, les forces ne peuvent être représentées que par des vecteurs. Les représentations vectorielles des forces doivent être distinguées des forces proprement dites. Certains philosophes et physiciens, dits opérationnalistes ou instrumentalistes au sujet des forces nient qu’il existe des forces : selon eux les vecteurs de forces utilisés en mécanique sont des outils utiles du physicien, mais ils ne décrivent rien dans la réalité. Un de leurs arguments est que les forces sont imperceptibles. Les réalistes au sujet des forces, à l’opposé, soutiennent que les vecteurs de forces réfèrent à des forces qui existent indépendamment de leur représentation. A l’objection selon laquelle les forces seraient imperceptibles, ils répondent souvent que la perception tactile ou le sens musculaire nous permettent d’expérimenter de telles entités physiques. Archimède, lors de l’étude du problème du bras de levier, évoquait le poids des corps sans expliquer plus explicitement ce qu’il entendait par là. Lors des études sur les poulies, la notion de force est utilisée confusément comme étant la tension dans les fils. Même le problème du plan incliné ou celui de la chute des corps sont résolus par Galilée sans faire appel explicitement à la notion de force. 2 Parallèlement, la composition des forces apparaît implicitement dans les travaux de Stevin (De Beghinselen der Weeghconst, 1586). Toutefois, la distinction entre la notion de force et de vitesse ne se fait pas encore, et il faudra attendre les travaux d’Isaac Newton pour avoir une formalisation précise de la notion de force. La définition donnée dans les célèbres Philosophiae Naturalis Principia Mathematica (1687) est celle qui est encore acceptée de nos jours. La définition du concept de force a permis une présentation simple de la mécanique classique par Isaac Newton (lois du mouvement de Newton). Aujourd’hui, la notion de force reste très utilisée dans l’enseignement et dans l’ingénierie. Pourtant les moments, l’énergie et les impulsions sont des grandeurs fondamentales de la physique dans le sens où ils obéissent tous à une loi de conservation, la force n’est qu’un artifice de calcul, parfois commode mais dont on peut parfaitement se passer. C’est pourquoi il existe en mécanique analytique, des formulations de la mécanique classique qui n’utilisent pas le concept de force. Ces formulations, apparues après la mécanique newtonienne, font cependant appel à des notions encore plus abstraites que le vecteur force, et on considère en conséquence qu’il vaut mieux les introduire seulement dans l’enseignement supérieur. Les forces sont d’autre part souvent confondues avec le concept de contrainte et notamment avec les tensions

 Caractéristiques et représentation d’une force

 Caractéristiques d’une force 

Quelle que soit sa nature, quelle que soit aussi la façon dont elle se manifeste, une force est une grandeur vectorielle. Donc elle est caractérisée par quatre éléments :

Le point d’application

C’est le point du corps sur lequel la force s’exerce. Figure 1 : Point d’application d’une force Point d’application Point d’application 

La direction ou la ligne d’action

C’est la droite suivant laquelle la force agit. La direction peut être : – Horizontale – Verticale – oblique Direction horizontale Direction oblique Direction verticale Figure 2 : Direction ou la ligne d’action d’une force c. L’intensité C’est la grandeur de la force exprimée en Newton (N) d. Le sens C’est le sens du mouvement que la force tend à produire. Le sens peut être : – de haut en bas – de bas en haut – de droite à gauche – de gauche à droite 4 Figure 3 : Sens d’une force 

Représentation d’une force

 On représente une force par un segment orienté ou un vecteur dont : – le point d’application est celui où la force s’applique 

 A – la direction est celle de la force : horizontale – Le sens est celui dans lequel la force agit : de gauche à droite – La mesure de la longueur est celle de l’intensité de la force : 4N La force schématisée dans ce cas se note 

 Appareil de mesure et unité de la force 

Appareil de mesure d’une force

 Le dynamomètre est l’instrument de mesure de l’intensité d’une force, basé sur l’allongement d’un ressort parfaitement élastique. Il existe plusieurs types de dynamomètre : a. Le peson à ressort Figure 5 : Dynamomètre peson à ressort 5 b. Le dynamomètre à lame d’acier Figure 6 : Dynamomètre à lame d’acier c. Le dynamomètre de Poncelet Figure 7: Dynamomètre de Poncelet d. Le dynamomètre à anneau d’acier 

 Unité d’une force 

Sous l’action d’une force, le ressort du dynamomètre se déforme et s’allonge. Une échelle graduée permet la lecture de l’unité de force. Celle-ci se représente par le symbole N. Cette lettre symbolise le Newton. Figure 9 : Visualisation d’un dynamomètre NB : Le Newton symbolisé N est l’unité internationale de la force.Un newton correspond à l’intensité de la force avec laquelle la Terre attire un corps d’environ 100g. 

Transmission des forces 

Transmission des forces par les fils

 Les fils souples tendus transmettent les forces Exemple : On exerce une force traction F, au point B du fil souple AB de masse négligeable. On intercale entre A et B plusieurs dynamomètres assez légers pour que le fil reste rectiligne et conserve sa direction initiale.