Un système désigne en mécanique un objet dont on étudie les propriétés comme le mouvement.
L'étude mécanique démarre par la présentation du système et du référentiel adopté.
Les différents systèmes sont capables d'interagir, c'est-à-dire d'exercer une action
l'un sur l'autre, comme c'est le cas par exemple de la Terre et de la Lune dans le cadre de l'interaction
gravitationnelle. Plus ordinairement, d'autres actions du quotidien se manifestent lorsqu'on pousse un enfant
sur une balançoire, lorsqu'on serre un boulon avec une clé, lorsqu'on soulève un pack d'eau, etc.
L'action mécanique, c'est quoi ?
Le chapitre précédent de mécanique nous a permis de décrire les différents
mouvements observables, en termes de trajectoire et en termes de vitesse. On peut alors se rendre
compte qu'au cours de certains mouvements, la direction peut changer ou encore la valeur de la
vitesse. Comment expliquer ces changements ? De quoi sont-ils la conséquence ?
Quand un objet (ou plus précisément un système) agit sur un autre système, on dit qu'il
exerce sur lui une action mécanique. C'est le cas par exemple de la chaise sur laquelle
on s'asseoit et qui nous empêche de tomber par terre. C'est encore le cas d'un aimant qui attirerait
à lui une clé en métal ou bien, dernier exemple, l'eau de la mer qui nous fait flotter. Pour modéliser ces actions mécaniques, on utilise en physique la notion de force.
Quand on s'intéresse à un système mécanique, il peut alors être utile de faire la liste de tous les
autres systèmes avec lesquels il serait en interaction. Par exemple, si on étudie une voiture qui roule
sur l'autoroute, elle est en interaction avec la Terre, qui la retient au sol ; elle est en interaction avec
la route sur laquelle elle frotte et elle est aussi en interaction avec l'air autour d'elle.
Agir d'accord, mais comment ? Pour décrire une action, il faut pouvoir indiquer en quoi elle
influencera le mouvement du système qui la subit. Ira-t-il plus vite ? moins vite ? à gauche, à droite ?
en haut ? en bas ? Toutes ces informations sont indiquées par la force qui modélise l'action.
Une force possède trois caractéristiques :
sa direction : agit-elle horizontalement ? verticalement ?
son sens : agit-elle vers la gauche ? vers le haut ?
sa norme : agit-elle beaucoup ? un peu ?
Ces trois caractéristiques nous permettent alors de décrire mathématiquement une force comme un vecteur.
Une force sera donc représentée schématiquement à l'aide d'une flèche :
la droite sur laquelle on la trace indique la direction ;
le chevron qu'on dessine au bout indique le sens ;
la longueur de la flèche indique la valeur de la force, mesurée en Newton (N), d'après l'échelle choisie
dans le schéma, par ex. 1 cm de flèche représente 20 N.
Représentation d'une force à l'aide d'un vecteur.
Action, réaction
La physique sait très bien décrire les différents mouvements qu'on peut observer
et aussi leurs changements. Ils obéissent à des lois bien connues, notamment grâce aux travaux d'Issac Newton,
lord, physicien et mathématicien anglais du XVIIIe siècle. Parmi ces lois figure le principe
des actions mutuelles, aussi appelé principe des actions réciproques ou principe d'action et de réaction.
Si la main exerce une force sur le ressort, le ressort exerce en même temps une force sur la main.
Énoncé du principe des actions mutuelles : Si un système A exerce sur B une action mécanique, alors le système B exerce sur A une action mécanique dans la
même direction, de sens contraire et de norme égale.
Cette loi peut paraître fausse à la première lecture. En effet si on en croit cette loi, la Terre attire le Soleil
avec autant de force que le Soleil attire la Terre. C'est pourtant vrai ! Imaginons deux patineurs face à face
sur la glace et qui se tiennent les mains. Si le premier patineur décide de pousser l'autre, alors les deux
reculeront : c'est bien la preuve que l'autre patineur a exercé lui aussi une action sur le premier.
Autre exemple : un enfant dans une barque tient un ballon dans ses mains. S'il jette le ballon loin devant
lui, (c'est-à-dire s'il exerce une action sur le ballon pour l'expédier) alors la barque reculera : le ballon
exerce une action sur l'enfant, phénomène qu'on appelle aussi effet de recul.
Quelques actions fréquentes
▪ La force gravitationnelle
Représentation de deux forces gravitationelles et expression de la norme de la force
La force gravitationelle modélise l'action qu'un corps massif exerce sur un autre corps massif ; comme c'est le
cas par exemple de la Terre sur la Lune. C'est une action à distance : la Lune subit l'action de la Terre alors
qu'elles ne se touchent pas. Plus les corps sont massifs, plus la norme de la force est grande. Inversement, plus
la distance qui les sépare est importante, plus la force est faible. Cette action est toujours attractive et elle
s'exerce entre le centre des deux objets massifs.
▪ Le poids
Le poids, ce n'est pas la même chose que la masse ! D'abord, ça ne se mesure pas dans les mêmes
unités : la masse se mesure en kilogrammes tandis que le poids se mesure en Newton. En effet, le poids est une
force, et non pas une caractéristique physique d'un système.
Le poids, c'est l'attraction qu'exerce un astre sur un objet massif placé à sa surface. Finalement, c'est une sorte
de force gravitationnelle mais seulement quand on se trouve sur l'astre. C'est donc aussi une force attractive
et à distance. La valeur du poids dépend de deux paramètres :
la masse de l'objet posé sur l'astre, m en kg ;
l'intensité de la pesanteur de l'astre, g en N/kg.
Sur Terre, l'intensité moyenne de la pesanteur est de 9,8 N/kg : chaque kilogramme est attiré vers la Terre avec une force
(un poids) de 9,8 N. Il y a donc une relation de proportionnalité entre la valeur de la masse et celle du poids :
P = m × g.
▪ La réaction d'un support idéal
La réaction d'un support idéal, sans frottement, est une force exercée par un objet qui en supporte un autre.
C'est par exemple la force que la chaise exerce sur vous quand vous êtes assis dessus. C'est encore la force
qu'exerce une table sur un livre qu'on aurait posé dessus. Dernier exemple, c'est la force qu'exerce la glace
sur vous quand vous marchez sur un lac gelé (sans tomber !). C'est une action de contact, perpendiculaire au
support et dirigée vers le haut. Elle s'exerce au centre de la surface de contact.
▪ L'action d'un fil d'attache
C'est la force qu'exerce un fil, une corde ou un câble tendus sur un objet qu'on aurait attaché à son extrêmité.
Cette force est de contact et elle s'exerce le long du fil, depuis le point d'attache et vers l'autre extrêmité
du fil tendu.
Schéma du poids, de la réaction du support et de la tension du câble qui s'exercent
sur une boule placée sur un support incliné.
