Réaction (physique)

Comme décrit par la troisième des lois du mouvement de Newton de la mécanique classique , toutes les forces se produisent par paires de sorte que si un objet exerce une force sur un autre objet, alors le deuxième objet exerce une force de réaction égale et opposée sur le premier. [1] [2] La troisième loi est aussi plus généralement énoncée comme suit: "A chaque action s'oppose toujours une réaction égale: ou les actions mutuelles de deux corps l'un sur l'autre sont toujours égales et dirigées vers des parties contraires." [3] L'attribution de laquelle des deux forces est l'action et laquelle est la réaction est arbitraire. L'un ou l'autre des deux peut être considéré comme l'action, tandis que l'autre est sa réaction associée.

Interaction avec le sol

Quand quelque chose exerce une force sur le sol, le sol repoussera avec une force égale dans la direction opposée. Dans certains domaines de la physique appliquée, comme la biomécanique , cette force du sol est appelée « force de réaction du sol »; la force exercée par l'objet au sol est considérée comme «l'action».

Quand quelqu'un veut sauter, il ou elle exerce une force descendante supplémentaire sur le sol («action»). Simultanément, le sol exerce une force ascendante sur la personne («réaction»). Si cette force ascendante est supérieure au poids de la personne, cela entraînera une accélération ascendante. Lorsque ces forces sont perpendiculaires au sol, elles sont également appelées force normale .

De même, les roues qui patinent d'un véhicule tentent de glisser vers l'arrière sur le sol. Si le sol n'est pas trop glissant, il en résulte une paire de forces de frottement : «l'action» de la roue sur le sol dans le sens arrière et la «réaction» du sol sur la roue vers l'avant. Cette force vers l'avant propulse le véhicule.

Forces gravitationnelles

Deux corps similaires au Soleil et à la Terre , c'est-à-dire avec une différence de masse extrême - le X rouge marque le barycentre

La Terre , entre autres planètes , est en orbite autour du Soleil parce que le Soleil exerce une attraction gravitationnelle qui agit comme une force centripète , retenant la Terre contre elle, qui, autrement, irait s'envoler dans l'espace. Si l'attraction du Soleil est considérée comme une action, la Terre exerce simultanément une réaction sous forme d'attraction gravitationnelle sur le Soleil. L'attraction de la Terre a la même amplitude que le Soleil mais dans la direction opposée. Étant donné que la masse du Soleil est tellement plus grande que celle de la Terre, le Soleil ne semble généralement pas réagir à l'attraction de la Terre, mais en fait, comme le montre l'animation (pas à une échelle précise). Une manière correcte de décrire le mouvement combiné des deux objets (en ignorant tous les autres corps célestes pour le moment) est de dire qu'ils tournent tous les deux autour du centre de masse , appelé en astronomie le barycentre , du système combiné.

Masse supportée

Toute masse sur terre est abaissée par la force gravitationnelle de la terre; cette force est aussi appelée son poids . La «réaction» correspondante est la force gravitationnelle que la masse exerce sur la planète.

Si l'objet est soutenu de manière à rester au repos, par exemple par un câble auquel il est suspendu, ou par une surface en dessous, ou par un liquide sur lequel il flotte, il existe également une force d'appui vers le haut ( tension la force, la force normale , soutenue vigueur, respectivement). Cette force d'appui est une force «égale et opposée»; nous le savons non pas à cause de la troisième loi de Newton, mais parce que l'objet reste au repos, de sorte que les forces doivent être équilibrées.

A cette force d'appui, il y a aussi une «réaction»: l'objet tire vers le bas sur le câble de support, ou pousse vers le bas sur la surface de support ou le liquide. Dans ce cas, il y a donc quatre forces de même ampleur:

  • F 1 . force gravitationnelle de la terre sur l'objet (vers le bas)
  • F 2 . force gravitationnelle par objet sur terre (vers le haut)
  • F 3 . force par appui sur objet (vers le haut)
  • F 4 . force par objet sur support (vers le bas)

Les forces F 1 et F 2 sont égales en raison de la troisième loi de Newton; il en est de même pour les forces F 3 et F 4 . Les forces F 1 et F 3 sont égales si et seulement si l'objet est en équilibre et qu'aucune autre force n'est appliquée. (Cela n'a rien à voir avec la troisième loi de Newton.)

Messe sur une source

Si une masse est suspendue à un ressort, les mêmes considérations s'appliquent qu'auparavant. Cependant, si ce système est alors perturbé (par exemple, la masse reçoit un léger coup de pied vers le haut ou vers le bas, par exemple), la masse commence à osciller de haut en bas. En raison de ces accélérations (et des décélérations subséquentes), nous concluons de la deuxième loi de Newton qu'une force nette est responsable du changement de vitesse observé. La force gravitationnelle tirant vers le bas sur la masse n'est plus égale à la force élastique ascendante du ressort. Dans la terminologie de la section précédente, F 1 et F 3 ne sont plus égaux.

Cependant, il est toujours vrai que F 1 = F 2 et F 3 = F 4 , comme cela est requis par la troisième loi de Newton.

Les termes «action» et «réaction» ont la suggestion trompeuse de causalité , comme si «l'action» était la cause et «la réaction» était l'effet. Il est donc facile de penser à la seconde force comme étant là à cause de la première, et même se produisant quelque temps après la première. Ceci est une erreur; les forces sont parfaitement simultanées et sont là pour la même raison. [4]

Lorsque les forces sont causées par la volonté d'une personne (par exemple, un joueur de football frappe un ballon), cette cause volontaire conduit souvent à une interprétation asymétrique, où la force du joueur sur le ballon est considérée comme `` l'action '' et la force du ballon. sur le joueur, la «réaction». Mais physiquement, la situation est symétrique. Les forces sur le ballon et le joueur s'expliquent toutes deux par leur proximité, qui se traduit par une paire de forces de contact (en fin de compte dues à la répulsion électrique). Que cette proximité soit causée par une décision du joueur n'a aucune incidence sur l'analyse physique. En ce qui concerne la physique, les étiquettes «action» et «réaction» peuvent être inversées. [4]

'Égal et opposé'

Un problème fréquemment observé par les enseignants en physique est que les étudiants ont tendance à appliquer la troisième loi de Newton à des paires de forces «égales et opposées» agissant sur le même objet. [5] [6] [7] Ceci est incorrect; la troisième loi fait référence aux forces exercées sur deux objets différents. Par exemple, un livre posé sur une table est soumis à une force gravitationnelle descendante (exercée par la terre) et à une force normale ascendante par la table. Puisque le livre n'accélère pas, ces forces doivent être exactement équilibrées, selon la première ou la deuxième loi de Newton. Ils sont donc «égaux et opposés». Cependant, ces forces ne sont pas toujours aussi fortes; ils seront différents si le livre est poussé vers le bas par une troisième force, ou si la table est inclinée, ou si le système table et livre est dans un ascenseur accélérant. Le cas de trois forces ou plus est couvert en considérant la somme de toutes les forces.

Une cause possible de ce problème est que la troisième loi est souvent énoncée sous une forme abrégée: pour chaque action il y a une réaction égale et opposée, [8] sans les détails, à savoir que ces forces agissent sur deux objets différents. De plus, il existe un lien de causalité entre le poids de quelque chose et la force normale: si un objet n'avait pas de poids, il ne subirait pas de force d'appui de la table, et le poids dicte la force de la force d'appui. Cette relation causale n'est pas due à la troisième loi mais à d'autres relations physiques dans le système.

Force centripète et centrifuge

Une autre erreur courante est de déclarer que «la force centrifuge subie par un objet est la réaction à la force centripète sur cet objet». [9] [10]

Si un objet était simultanément soumis à la fois à une force centripète et à une force centrifuge égale et opposée , la force résultante disparaîtrait et l'objet ne pourrait pas subir un mouvement circulaire. La force centrifuge est parfois appelée force fictive ou pseudo-force, pour souligner le fait qu'une telle force n'apparaît que lorsque des calculs ou des mesures sont effectués dans des référentiels non inertiels. [11]

  1. ^ Taylor, John R. (2005). Mécanique classique . Livres scientifiques universitaires. pp. 17–18. ISBN 9781891389221.
  2. ^ Shapiro, Ilya L .; de Berredo-Peixoto, Guilherme (2013). Notes de cours sur la mécanique newtonienne: leçons des concepts modernes . Springer Science & Business Media. p. 116. ISBN 978-1461478256. Récupéré le 28 septembre 2016 .
  3. ^ Cette traduction de la troisième loi et le commentaire qui la suit se trouvent dans les " Principia " à la page 20 du volume 1 de la traduction de 1729 .
  4. ^ un b Brown, David (1989). "Le concept de force des étudiants: l'importance de comprendre la troisième loi de Newton". Phys. Educ . 24 (6): 353–358. doi : 10.1088 / 0031-9120 / 24/6/007 . Même si un corps peut être plus `` actif '' que l'autre corps et peut donc sembler initier l'interaction (par exemple, une boule de bowling frappant une épingle), la force du corps A exerce sur le corps B est toujours simultanée avec la force que B exerce sur A .
  5. ^ Colin Terry et George Jones (1986). "Cadres alternatifs: troisième loi de Newton et changement conceptuel". Journal européen de l'enseignement des sciences . 8 (3): 291-298. Bibcode : 1986IJSEd ... 8..291T . doi : 10.1080 / 0140528860080305 . Ce rapport met en évidence certaines des difficultés que les enfants rencontrent avec la troisième loi de Newton.
  6. ^ Cornelis Hellingman (1992). "La Troisième Loi de Newton Revisitée". Enseignement de la physique . 27 (2): 112-115. Bibcode : 1992PhyEd..27..112H . doi : 10.1088 / 0031-9120 / 27/2/011 . ... question suivante par écrit: la troisième loi de Newton parle d '«action» et de «réaction». Imaginez une bouteille de vin posée sur une table. Si la force gravitationnelle qui attire la bouteille s'appelle l'action, quelle force est la réaction à cette force selon la troisième loi de Newton? La réponse la plus fréquemment donnée a été: «La force normale que la table exerce sur la bouteille».
  7. ^ Français, Anthony (1971), Newtonian Mechanics , p. 314, … la troisième loi de Newton, que «l'action et la réaction sont égales et opposées»
  8. ^ Hall, Nancy. "La Troisième Loi de Newton appliquée à l'aérodynamique" . NASA. Archivé de l'original le 2018-10-03. pour chaque action (force) dans la nature, il y a une réaction égale et opposée
  9. ^ Adair, Aaron (2013), Idées fausses des étudiants sur la mécanique newtonienne: origines et solutions grâce aux changements d'instruction , cela a été attaqué par Newton qui a essayé de faire correspondre la force centripète sur les planètes (à partir des interactions gravitationnelles) par la force centrifuge afin qu'il y ait être un équilibre des forces basé sur sa troisième loi du mouvement
  10. ^ Aiton, Eric (1995), Swetz, Frank; et coll. (eds.), An Episode in the History of Celestial Mechanics and its Utility in the Teaching of Applied Mathematics , Learn from the Masters, The Mathematical Association of America, ISBN 978-0883857038, ... dans l'une de ses attaques contre Leibniz écrite en 1711, Newton dit que la force centrifuge est toujours égale et opposée à la force de gravité par la troisième loi du mouvement.
  11. ^ Singh, Chandralekha (2009), "Accélération centripète: souvent oubliée ou mal interprétée", Physique Education , 44 (5): 464-468, arXiv : 1602.06361 , doi : 10.1088 / 0031-9120 / 44/5/001  , S2CID 118701050 , Une autre difficulté est que les élèves considèrent souvent les pseudo forces, par exemple la force centrifuge, comme s'il s'agissait de forces réelles agissant dans un référentiel inertiel.

  • Feynman, RP, Leighton and Sands (1970) Les conférences Feynman sur la physique , Volume 1, Addison Wesley Longman, ISBN  0-201-02115-3 .
  • Resnick, R. et D. Halliday (1966) Physics, Part 1 , John Wiley & Sons, New York, 646 pp + annexes.
  • Warren, JW (1965) L'enseignement de la physique , Butterworths, Londres, 130 p.