Discuter:Force (physique)

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Sommaire

[modifier] Phrase litigieuse

Je me suis permis de retirer la phrase "la force est la dérivée de l'énergie, et l'énergie est l'intégrale de la force". Cette affirmation me paraît plus que contestable :

  • Par rapport à quoi doit-on dériver l'énergie pour obtenir les forces ?
  • Plusieurs champs de forces différents peuvent donner la même énergie. Inversement, un champ de force donné peut générer des énergies différentes, selon le chemin parcouru par les points d'application des forces. Il n'y a donc pas correspondance un à un entre une énergie et un champ de force, partant, on voit mal comment on peut passer de l'un à l'autre par une simple dérivation ou par une intégration.

Mais peut-être me trompé-je ?

Bcoconni 17 nov 2004 à 21:10 (CET)

Effectivement, la phrase est très ambigüe. On peut la comprendre dans le sens du 'travail de la force' [intégrale de force multipliée par déplacement = travail de la force, soit l'énergie apportée au système par la force]. Mais le paragraphe ou cette phrase se trouvait fait aussi penser à la relation entre mécanique newtonienne (basée sur le concept de force) avec la mécanique analytique (basée sur le concept de champs de potentiel). Ces deux approches étant équivalentes. A reformuler de façon plus précise ? Didierv 17 nov 2004 à 22:47 (CET)
Je vois ce que vous voulez dire. Cependant la référence à la mécanique analytique est dangeureuse : les énergies virtuelles des équations de Lagrange sont des champs scalaires qui sont homogènes à des énergies, pour autant ce ne sont ni l'énergie cinétique ni l'énergie potentielle du système mais ce que deviendraient ces énergies si l'on modifiait virtuellement la trajectoire du solide. L'abus de langage peut mener à la confusion, et c'est pourquoi tous les champs qui sont utilisés en mécanique analytique sont dits virtuels : pour pouvoir être distingués des grandeurs réelles.
En tant que champs scalaires (ou fonctions réelles de plusieurs variables), ils peuvent effectivement être dérivés pour obtenir des forces. Mais là encore, il ne faut pas perdre de vue que cette dérivation s'opère sur un objet mathématique (un champ donc) qui contient beaucoup plus de choses que l'énergie réelle du système. Ces champs décrivent l'état du système y compris pour des configurations dans lesquelles le solide ne peut physiquement pas se trouver.
De tels concepts me paraissent un peu compliqués pour être développés dans un article dont ce n'est pas l'objet. A mon avis, cela amène plus de confusion qu'autre chose... Bcoconni 18 nov 2004 à 20:03 (CET)
Finalement, je pense que cette phrase provient d'une traduction assez hasardeuse de l'article anglais sur l'énergie où l'on peut trouver la phrase suivante : « You can think of potential energy as being derived from force or you can think of force as being derived from potential energy. ». Il faut noter que la locution « You can think of » a été supprimée lors de la traduction, transformant ainsi en vérité scientifique une indication originellement destinée à aider le lecteur à saisir intuitivement la notion exposée. D'autre part, le verbe derived a été maladroitement traduit par être la dérivée de alors que dans ce contexte, il faut le comprendre comme provenir de ou prendre sa source dans. De ce fait, l'idée exposée dans l'article anglais a été complètement dénaturée par la traduction. Une raison de plus pour la suppression définitive de cette phrase qui finalement apporte plus de confusions que d'éclairements. Bcoconni 29 nov 2004 à 14:27 (CET)
D'autant plus que cette relation energie-potentielle/force n'est vraie à l'echelle macroscopique que pour les forces conservatives (et donc les interactions fondamentales gravité et electro-magnétisme).[Le lien entre forces non conservatives, physique statistique et entropie serait d'ailleurs interessant à développer] Didierv 29 nov 2004 à 21:56 (CET)
Bonjour, cette phrase ne provient pas de la version anglaise mais de moi. L'idée est de bien faire comprendre aulecteur que les notions d' énergie et de force sont des concepts de modélisation issus de l'esprit humain, et que l'on peut modéliser les mêmes phénomènes avec l'un ou l'autre de ces concepts.
Que l'on prenne un peu de distance dans des cas comme la quantique ou des énergies virtuelles, je veux bien, par contre, je suis particulièrement attaché à cette formulation, de par mon expérience sur news:fr.sci.physique : elle permet de déjouer la plupart des mystifications qui sont faites autours de l'énergie, et de répondre à des questions du type : « est-ce l'énergie ou bien la force qui crée l'action ? » (réponse : aucune des deux, puisque ce ne sont que des modèles).
Vous voyez où je veux en venir ?
On peut, par exemple, restreindre la phrase à la mécanique newtonienne si vous voulez, et développer les problèmes soulevés dans l'article Travail d'une force.
Cdang | m'écrire 3 déc 2004 à 12:18 (CET)
Admettons. Mais votre phrase contenait bien plus que ce vous dites à présent. Dire que l'un découle de l'autre est une chose, affirmer qu'il y a une relation d'intégrale/dérivée entre les deux en est une autre. Votre pensée exacte ne me paraît toujours pas claire... Bcoconni 3 déc 2004 à 13:38 (CET)
On peut se tutoyer, je disais « vous » car je m'adressais à plusieurs contributeurs.
Pour éclaircir ma pensée : je veux simplement mettre en avant qu'il s'agit de deux concepts qui sont, dans certains domaines, interchangeables, il n'y a pas de relation de cause à effet entre force et énergie ni dans un sens ni dans l'autre, il s'agit juste de deux manière différente de décrire une interaction.
Mettre en avant une pure relation mathématique d'intégration/dérivation (là encore, dans certains domaines) a l'avantage àmha de faire ressortir que l'un comme l'autre sont de pures vues de l'esprit, et qu'il ne s'agit pas d'un « fluide invisible » comme aimeraient faire croire certains charlatans.
C'est plus clair comme ça ? Cdang | m'écrire 3 déc 2004 à 14:31 (CET)
Tout d'abord, je voudrais faire un petit aparté sur les relations mathématiques : celles-ci ont une signification bien précise, et toute leur efficacité vient de ce que tout le monde accepte cette signification et s'y tient. Les dérivées et les intégrales sont des objets mathématiques très précis et j'imagine que dans ta phrase, tu n'utilises pas ces termes juste pour montrer que force et énergie sont deux concepts interchangeables. Or, et c'est là que je voulais en venir, je conteste la relation intégrale/dérivée (au sens mathématique du terme) entre les forces et les énergies.
D'autre part, dans le paragraphe Force, travail et énergie, tu as déjà écrit la phrase (je cite) « En physique, force et énergie sont deux manières différentes de modéliser les phénomènes », ce avec quoi je suis tout à fait d'accord. Par conséquent, l'interchangeabilité des concepts de forces et d'énergie est déjà mise évidence et je ne vois pas en quoi ta phrase « la force est la dérivée de l'énergie, et l'énergie est l'intégrale de la force » apporte quoi que soit de nouveau si ce n'est de donner l'impression que les deux sont reliés par une relation dérivée/intégrale.
Pour terminer, je voudrais m'excuser d'avoir attribué l'origine de ta phrase à une traduction maladroite de l'article anglais. Mais tu avoueras que la similitude est troublante... Bcoconni 3 déc 2004 à 17:34 (CET)
Je pense qu'on est à peu près d'accord, mis à part sur le fait que pour moi, mettre en avant une relation mathématique valable dans certains cas permet de renforcer le caractère artificiel (c.-à-d. créé par l'homme) de ces notions. Par ailleurs, c'est aussi intéressant pour l'étudiant/lycéen de mettre en avant cette relation mathématique, car cela permet àmha de penser à utiliser l'énergie mécanique quand on ne s'en sort pas avec les forces (souvenir douloureux d'un oral...). Je réfléchis à une formulation plus restrictive et je la propose ici « tout à l'heure ».
Cdang | m'écrire 6 déc 2004 à 09:16 (CET)
Bon voila, je propose la formulation suivante :
Le travail est l'intégrale de la force sur le déplacement du point d'application. On voit donc que dans le cas d'une force conservative, la force est la dérivée de l'énergie, et l'énergie est l'intégrale de la force ; ceci est faux dans le cas général.
C'est acceptable comme ça ?
Cdang | m'écrire 6 déc 2004 à 09:26 (CET)
Dans l'exemple que tu cites, pour l'intégration tu utilises la relation force/travail et pour la dérivation tu utilises la relation énergie potentielle/force (alors qu'on se serait attendu à une relation travail/force). Hmm, pour un exemple de symétrie, ça ne me paraît pas très bien choisi...
Pourquoi cette obsession de la relation intégrale/dérivée ? Si l'objectif est pédagogique, pourquoi ne pas utiliser le cas (plus simple) d'une force constante s'appliquant sur un objet en déplacement rectiligne uniforme ? Auquel cas, on a les relations W=F\cdot u et F=\frac{W}{u}, qui sont trivialement fausses dans le cas général.Bcoconni 6 déc 2004 à 15:19 (CET)

[modifier] A propos des « grandeurs fondamentales »

Je m'interroge sur la phrase :

« Les moments, l'énergie et les contraintes sont des grandeurs plus fondamentales »

euh, c'estquoi une grandeur « plus fondamentale » ? Cdang | m'écrire 6 déc 2004 à 09:26 (CET)

En ce qui concerne les grandeurs « fondamentales », pour le coup c'est moi qui suis l'auteur d'une traduction hasardeuse : cette phrase provient de l'article anglais. Je sais que les théories relativistes et quantiques font appel aux notions d'énergies et de moments mais pas aux forces. Le fait que ces grandeurs soient communes à plusieurs théories (avec des hypothèses fondatrices très différentes) leur donne un statut particulier : « fondamental ». J'avoue que cet argumentaire est assez fumeux et je comptais sur le fait qu'un spécialiste de la mécanique quantique et/ou relativiste finirait par lire ces lignes et les corrigerait le cas échéant. Tu es volontaire ? ;-) Bcoconni 6 déc 2004 à 15:19 (CET)
Je trouve interessante la phrase « Les moments, l'énergie et les contraintes sont des grandeurs plus fondamentales » . Les moments et l'energie sont fondamentaux car se sont des valeurs qui se conservent. Ce ne sont donc pas des concepts 'intermédiaires' dont le but est de faire des calculs, mais de vraies propriétés physiques. Je suis un peu intrigué par le fait que les contraintes fassent partie de cette liste. Je suis pret à croire qu'elles ont une signification physique plus réelle qu'une force, mais je ne sais pas formuler pourquoi. En tout cas, le fait de dire qu'on confond contraintes et forces est très interessant. Didierv 6 déc 2004 à 20:17 (CET)
Mais bon sang, mais c'est bien sûr !!! Excellent argument. Effectivement pour les contraintes, je ne vois pas d'arguments en faveur de leur classement dans la catégorie « grandeur fondamentale ». A moins que quelqu'un ait une idée géniale, le plus judicieux serait de les retirer de la « liste ». Bcoconni 6 déc 2004 à 20:51 (CET)
Il faudrait alors ajouter la quantité de mouvement dans la liste des grandeurs fondamentales (la force en étant la dérivée temporelle... ). Pour les contraintes, il y a une page sur wikipedia en en:Stress-energy tensor qui définit une tenseur energie-contraintes d'une façon qui semble assez pure, mais je ne comprends pas encore la portée de ce concept, en particulier s'il a un équivalent en mécanique classique. Didierv 6 déc 2004 à 22:23 (CET)
En fait, en:Stress-energy tensor semble être ce qu'on appelle le tenseur energie-impulsion en français. Ca tend à prouver qu'effectivement, les contraintes ne sont pas une grandeur fondamentale. Simplement une forme mathématisée de la pression, qui elle même n'est qu'une force surfacique.Didierv 6 déc 2004 à 22:32 (CET)
J'ai aussi pensé aux grandeurs objectives , c'est-à-dire les grandeurs dont l'expression ne dépend pas du repère dans lequel on les exprime. Le tenseur des contraintes de Cauchy est objectif, la masse aussi mais les accélérations ne le sont pas (pour s'en convaincre il suffit de se rappeler que lors d'un changement de repère, il faut ajouter les accélérations d'entraînement et de Coriolis à l'accélération originale). Et donc, comme F=m.a, les forces ne sont pas objectives non plus. En revanche, je doute que les énergies soient objectives (puisque l'énergie cinétique dépend de la vitesse qui n'est pas objective) mais peut-être que les variations d'énergie le sont ? En ce qui concerne les moments, je doute de leur objectivité...
Je pense que ton explication est la bonne : les grandeurs fondamentales sont les grandeurs qui se conservent ; les lois de conservation constituent l'élément-clé de la plupart (toutes ?) des théories physiques. Pour l'instant, le mieux est sûrement de retirer les contraintes de la liste des grandeurs fondamentales énumérées dans l'introduction et d'y ajouter la quantité de mouvement. Il faudrait aussi préciser que les grandeurs fondamentales sont les grandeurs qui se conservent. Bcoconni 7 déc 2004 à 16:28 (CET)

[modifier] A propos de la définition d'une force

Il a été suggéré de modifier la définition d'une force :

  1. En ajoutant qu'une force peut modifier la direction du mouvement d'un corps
  2. En supprimant le fait qu'une force puisse modifier la position au repos d'un corps
  3. En supprimant le fait qu'une force puisse modifier la forme d'un corps

Le premier point est une répétition de la définition de la force en tant qu'action capable de modifier une accélération. En effet, modifier la direction d'un corps en mouvement, c'est, par définition, appliquer une accélération.

La suppression de la définition d'une force en tant qu'action capable de modifier la position au repos d'un corps, c'est oublier qu'un poids suspendu par deux cordes n'aura pas obligatoirement la même position qu'un poids suspendu par une seule corde. Cette notion ne peut être ramenée à la notion de modification de l'accélération : l'ajout d'une seconde corde revient à ajouter une force due à la tension de la nouvelle corde ; pour autant, le corps restant au repos, son accélération reste nulle et n'est donc pas modifiée.

Enfin, la suppression de la définition d'une force en tant qu'action capable de modifier la forme d'un corps, c'est oublier la mécanique des milieux continus. Là encore, cette notion ne peut être ramenée à la notion de modification de l'accélération.

Par conséquent, je me suis permis de restaurer la précédente définition de la force : En physique, on définit le concept de force comme étant une action capable de modifier la position au repos, l'accélération ou bien (dans le cas d'un solide déformable) la forme d'un corps.

Bcoconni 1 jul 2005 à 19:47 (CEST)

C'est plus discutable que ça. Une force peut modifier le mouvement, et c'est tout. Elle ne peut pas, directement, modifier une position : en mécanique des forces il n'y a pas d'"effet tunnel" comme celui de la mécanique quantique, une modification de position passe d'abord par une accélération, une vitesse, et enfin, avec du temps, un déplacement. Autre façon de dire la même chose : la force est liée à la dérivée seconde de la position (accélération), mais pas directement à la dérivée première (vitesse) ni a fortiori à la position.
Mais bien sur, si on applique une force capable de rompre un équilibre, on finit par provoquer un déplacement
Pareil pour la déformation : par définition, une déformation est un déplacement (relatif), les forces ne modifient pas directement les positions et donc ne peuvent pas causer directement de déformation. Mais bien sur, si on applique une force capable de rompre un équilibre, on peut finir par provoquer un changement de forme.
Bref : prudence. Supprimer serait source d'incompréhension, laisser tel quel est trompeur. 81.255.117.250 13 juillet 2005 à 13:44 (CEST)
En mécanique statique, le passage d'un état de repos à l'autre est parfaitement licite et peut être modélisé avec succès par l'usage seul des forces, sans avoir recours à la cinématique : les phénomènes intermédiaires qui permettent de changer l'état de repos sont ignorés car sans effet sur le résultat final. De ce point de vue, une force est capable de changer une position d'équilibre.
Toutefois, je conviens que c'est un corollaire de la dynamique. Il me paraît cependant dommage d'occulter ce point de la définition. Bcoconni 2 août 2005 à 22:06 (CEST)


[modifier] Force, vitesse et accélération

La force modifie la vitesse et non pas l'accélération. "Au repos" signifie une vitesse nulle i.e. v=0. Quand un objet est au repos et qu'on le met en mouvement en y appliquant une force, sa vitesse change, elle passe de v=0 à v>0: on dit que l'objet accélère.
--Eurêka 1 jul 2005 à 20:41 (CEST)

Voir aussi: Mécanique du point, Dynamique, Catégories: Mécanique.
--Eurêka 2 jul 2005 à 03:38 (CEST)

[modifier] F = m dv/dt et non pas m da/dt

F est égal à m dv/dt et non pas à m da/dt, avec dv qui correspond à une modification de vitesse, et da à une modification d'accélération.
Dire qu'une force produit une accélération, ou dire qu'une force produit une modification de vitesse, ou modifie la vitesse, c'est la même chose.
Une force produit une accélération mais ne produit pas une vitesse. Une force modifie une vitesse mais ne modifie pas une accélération.
Par force ici, on entend une force nette non nulle. Une force nette nulle correspond à une absence de force, et alors il n'y a pas modification de la vitesse, ce qui fait que l'objet reste immobile s'il était déjà immobile, ou qu'il continue sa course à la même vitesse constante et avec la même direction et le même sens. --Eurêka 12 juillet 2005 à 15:33 (CEST)

[modifier] Changement de position et force

Un objet en mouvement change constamment de position. Il n'est besoin d'aucune force pour ce faire: premier principe de Newton.
Ce qu'une force produit, ce n'est pas un changement de position mais un changement de vitesse: deuxième principe de Newton. Voyons deux cas:
1- Dans le cas d'un objet immobile, par rapport à un certain référentiel donné, lorsqu'on lui applique une force, il se met en mouvement, donc il change obligatoirement de position, et aussi de vitesse, car sa vitesse qui était nulle (v = 0) devient non nulle, disons 1m/sec. Quand il atteint cette vitesse, il continue à cette vitesse de 1m/sec alors que la force qui l'a mis en mouvement ne s'applique plus sur lui, et l'objet continue donc de changer de position sans changer de vitesse et sans qu'il y ait de force. Donc, pas besoin de force pour changer de position.
2- Dans le cas d'un objet qui est déjà en mouvement à une vitesse constante dans une même direction et un même sens, il n'y a pas à ce moment de force qui s'applique sur lui, mais il continue pourtant à changer de position constamment. Si à un moment donné, on lui applique une force, et si cette force ne fait que changer sa vitesse, il va alors évidemment continuer à changer de position, mais à un rythme différent i.e. il aura une vitesse différente.
La relation n'est donc pas entre force et changement de position, mais bien entre force et changement de vitesse. Quant à la position, elle est relié au mouvement (ou à son absence). C'est pourquoi on dit qu'une force produit un changement de vitesse, ou plus précisément, une accélération, et non pas un changement de position. (Accélération: changement de vitesse (dv) par unité de temps (dt), ou, a = dv/dt.)
De plus, dans aucun cas, on ne peut parler de modification de l'accélération, car si cela était, il faudrait écrire 'da' quelque part dans la formule de la force, ce qui ne s'est pas encore vu!
--Eurêka 25 juillet 2005 à 20:18 (CEST)

[modifier] Déformation et forces

"... il faut bien voir que la déformation résulte de l'application de deux forces opposées ; s'il n'y a qu'une seule force, en application du principe fondamental de la dynamique, la force accélère le ressort sans provoquer de déformation, on se ramène à la mécanique du point." Tiré de: Exemple des ressorts, dans Déformation élastique, Catégories: Mécanique des milieux continus. --Eurêka 2 jul 2005 à 03:24 (CEST)

En d'autres termes, une seule force est totalement insuffisante pour produire une déformation. Il en faut 2, et de plus, il faut que ces 2 forces s'appliquent en sens inverses. Une seule et unique force, tout ce qu'elle produit, c'est uniquement une accélération, aucunement une déformation. --Eurêka 12 juillet 2005 à 15:49 (CEST)

C'est vrai. Mais nous baignons en permanence dans un contexte plein de forces partout (enfin, on peut le comprendre comme ça), donc il n'y a jamais une force, mais plutôt une force de plus, qui peut provoquer des déformations. gem 13 juillet 2005 à 12:24 (CEST)
Exactement, et ce raisonnement s'applique aussi à l'accélération : la force de plus en s'ajoutant aux forces déjà existantes vient modifier l'accélération produite par ces dernières.Bcoconni 2 août 2005 à 23:05 (CEST)
C'est un raisonnement étrange que vous faites là. Si vous donnez un coup de pied dans un ballon, le principe de l'action et de la réaction s'applique effectivement : l'action est la force que votre pied exerce sur le ballon, la réaction est la force que le ballon exerce sur votre pied. Au total, le ballon ne subit qu'une seule des deux forces qui constituent l'action et la réaction et pourtant il se déforme (c'est particulièrement visible sur les ballons de mousse que l'on utilise généralement pour le football en salle).
Cela est dû au fait que l'énergie cinétique se propage dans le ballon avec une vitesse finie et génère des ondes élastiques. Finalement, le ballon subit une accélération (c'est généralement pour ça que l'on donne des coups de pieds dans les ballons) et se met à vibrer (ce dernier phénomène étant lui indésirable mais inévitable). Les vibrations s'amortissent généralement très rapidement et le ballon récupère sa forme initiale. Seule reste alors l'accélération globale du ballon... Bcoconni 2 août 2005 à 23:05 (CEST)

C'est un bon exemple, qu'il faudrait exposer dans la page de discussion de l'article 'Exemple des ressorts, dans Déformation élastique, Catégories: Mécanique des milieux continus' car c'est dans cet article qu'on parle de 2 forces pour obtenir une déformation.
--Eurêka 3 août 2005 à 01:13 (CEST)

Voir aussi l'article Tenseur des contraintes à la section 'Principe de la coupure' où il est écrit: 'Supposons un solide se déformant sous l'effet de deux forces extérieures opposées. Si l'on coupe le solide en deux et que l'on sépare les moitiés, alors chaque moitié n'est soumise qu'a une seule force et donc n'est plus déformée mais mise en mouvement. Pour que chaque moitié retrouve sa déformation, il faut exercer une pression sur chacune des faces de la coupure.'
Donc, selon eux, une seule force est insuffisante pour déformer: il en faut deux. Encore qu'il reste à savoir si c'est 2 forces ou 2 pressions qui causent la déformation. S'il n'y a qu'une seule force, alors c'est F = ma qui s'applique.
--Eurêka 3 août 2005 à 17:51 (CEST)

Les deux exemples que vous citez (Déformation élastique et Tenseur des contraintes) contiennent en effet une référence (fausse) au fait qu'il faut deux forces opposées pour générer la déformation d'un corps. Notez que dans les deux articles, l'erreur a été faite par le même contributeur comme on peut le constater [ici] et [là]. Celui-ci, convaincu de la véracité de son postulat, a donc jugé opportun de le citer dans ces articles. Ce sont des erreurs qu'il faudrait donc corriger. Mais pour cela, il faudrait lancer une discussion dans les pages du même nom des articles incriminés. Un de ces jours peut-être si j'ai le courage... Bcoconni 3 août 2005 à 23:52 (CEST)

Ai déjà initié cette discussion. On verra bien ce qui arrivera. --Eurêka 4 août 2005 à 05:20 (CEST)

Si on prend un ballon gonflé à l'air et qu'on laisse sortir tout cet air du ballon, ce dernier va se dégonfler, autrement dit il y aura déformation. Pourtant nous n'avons appliqué aucune force sur ce ballon, tout ce que nous avons fait c'est de laisser sortir l'air. Comment se fait-il alors qu'on puisse obtenir une déformation sans qu'il y ait application d'aucune force? Cela ne vient-il pas en contradiction avec notre définition, laquelle dit que ça prend une force pour produire une déformation?
--Eurêka 7 août 2005 à 16:07 (CEST)

[modifier] Unité = 1 N

Remarque mnémotechnique: 1N correspond, en gros, au poids d'une pomme. Celle que Newton a reçu sur la tête ?

Mesure de force: noter qu'on ne mesure jamais directement une force mais ses effets.

Enfin, est-il possible de créer un lien avec la mécanique statique?

--Ruizo 8 mars 2006 à 08:44 (CET)