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Définition de la force de traction
En termes simples, une force est une poussée ou une traction. En mécanique élémentaire, on fait la distinction entre ces deux types de force en comparant la direction du vecteur de force agissant sur un objet à la direction du mouvement de l'objet. Si la force appliquée s'aligne sur la direction du mouvement de l'objet, nous l'appelons une force de poussée:
Une force de poussée est une force qui s'aligne sur la direction de l'état de mouvement résultant de l'objet.
Même si un objet est initialement au repos, nous considérons que la force appliquée à un objet pour le faire bouger est une force de poussée parce que la direction du vecteur de la force s'aligne sur le vecteur de la vitesse résultante de l'objet.
Contrairement à la force de poussée, la notion de force de traction est un peu plus subtile. En effet, on peut distinguer deux types de forces de traction : les forces de traction par contact et les forces de traction à longue portée. Une force de traction de contact, comme son nom l'indique, est une force dans laquelle l'agent chargé d'exercer la force sur l'objet est en contact direct avec celui-ci. Par exemple, tirer sur une corde attachée à un chariot pour l'amener vers toi serait un exemple de force de traction par contact. Qu'en est-il alors d'une force de traction à longue portée ? Pour cela, nous devons faire une petite digression sur les interactions fondamentales en physique.
Il existe quatre interactions fondamentales connues dans la nature : l'interaction gravitationnelle, l'interaction électromagnétique, l'interaction faible et l'interaction forte. En nous concentrant sur les deux premières, nous constatons que la gravité est toujours attractive, tandis que l'interaction électromagnétique peut être soit attractive, soit répulsive. Pour ces deux interactions, nous pouvons définir un champ de force de la façon suivante :
Un champ de force est une région de l'espace produite par une source telle qu'un objet testé placé à proximité sera soit attiré, soit repoussé par la source.
Par exemple, dans le cas de la gravité terrestre, nous considérons la Terre comme la source ; tout objet testé placé à proximité sera attiré par elle. Les autres types de champs de force sont les champs électriques, dans lesquels une force électrique agit sur tous les objets qui ont une charge électrique, et les champs magnétiques, dans lesquels une force magnétique agit sur tous les objets qui ont une susceptibilité magnétique - lapropriété qui fait qu'ils sont attirés ou repoussés par un aimant. Or, à l'exception des charges similaires qui se repoussent, nous constatons que les champs de force attirent les objets testés vers eux, même s'ils ne sont pas en contact direct avec eux. En d'autres termes, les champs de force produisent des forces à longue portée. Cela nous permet de définir une force de traction comme suit :
Une force de traction est une force par laquelle un objet se déplace vers la source de l'interaction, soit par contact direct, soit par l'effet d'un champ de force à longue portée.
Pour terminer cette section, note que les forces de contact de poussée et de traction peuvent être à l'œuvre sur le même objet, comme dans l'image ci-dessous :
Forces de poussée et de traction travaillant ensemble, domaine public.
Exemples de force de traction
Considère qu'une force de traction est la force responsable du déplacement d'un objet d'un état de repos vers la source de la force. L'objet s'éloigne de la surface de la force appliquée. Le temps nécessaire pour déplacer l'objet dépend de la force de réaction exercée par l'objet.
Ouvrir une porte, pincer une corde de guitare, tirer un seau d'eau d'un puits et tirer un rideau sont tous des exemples de forces de traction par contact.
La direction d'une force de traction est opposée à celle d'une force de poussée.
Nous avons maintenant une bonne compréhension du fonctionnement des forces de traction par contact, alors regardons de plus près la force magnétique comme exemple de force de traction à longue portée.
Force de traction de l'aimant
Pense aux principes de base du fonctionnement d'un aimant. Les aimants sont capables de produire des champs magnétiques, d'attirer les pôles opposés et de repousser les pôles semblables. La force de traction d'un aimant est la force nécessaire pour tirer cet aimant verticalement d'une plaque faite d'un matériau ferromagnétique. C'est une méthode fiable pour mesurer la limite du pouvoir de rétention d'un aimant. Les vendeurs et les fabricants qui indiquent la force de traction d'un aimant doivent effectuer ce type de test pour déterminer la force avant de pouvoir annoncer ce chiffre. Pour obtenir la lecture la plus précise de la force de traction, le test doit être effectué de trois façons différentes, chacune supposant que la force utilisée pour tirer l'aimant est appliquée perpendiculairement à une surface plane :
1. Par le biais du test de force de traction mentionné ci-dessus.
2. En plaçant les aimants entre deux plaques d'acier.
3. En trouvant la quantité de force nécessaire pour déloger un aimant d'un aimant identique.
Trois méthodes de test de la force de traction pour la force de l'aimant StudySmarter Originals
Voyons maintenant comment mesurer la force de traction de la gravité, qui est un autre cas de force de traction à longue portée.
Mesure de la force de traction de la gravité
En termes fondamentaux, nous savons que le poids mesure la force d'attraction de la gravité sur un objet. Le poids est un autre terme pour désigner la force de gravité près de la surface d'une planète. L'unité SI du poids est lenewton.
Lepoids est la force qui agit sur un objet en raison de la gravité près de la surface d'une planète.
Le poids ne doit pas être confondu avec la masse. N'oublie pas que la masse s'exprime en kg, mais que le poids est une force qui s'exprime en N.
Le poids est la force exercée sur un corps par la gravité.
\[F_{\text{g}} = mg.\]
Numériquement, nous savons que \(g\) est l'accélération due à la gravité. Près de la surface de la Terre, sa valeur est de \N(9,8 \N,\Nmathrm{m} / \Nmathrm{s}^2\N). Nous pouvons calculer cette valeur en résolvant l'accélération dans la deuxième loi de Newton,
\N- [F = ma,\N]
où la force nette est donnée par la loi de la gravitation universelle de Newton :
\[F = G \frac{Mm}{r^2}.\]
En utilisant \(g\) pour désigner l'accélération et en substituant la deuxième équation à la première, nous obtenons
\[g = G \frac{M}{r^2}.\]
Près de la surface de la Terre, nous pouvons utiliser la valeur du rayon de la Terre pour \(r\) et la valeur de sa masse pour \(M\). Cependant, cela laisse \(G\), la constante gravitationnelle, comme une inconnue sans laquelle nous ne pouvons pas justifier notre mesure de la force d'attraction de la gravité. De nos jours, nous attribuons la première dérivation empirique de la valeur de \(G\) à Henry Cavendish.
L'expérience de Cavendish
Henry Cavendish a réalisé une expérience classique qui a permis de déterminer pour la première fois la valeur de la constante de Newton \ (G\), et de mesurer la force d'attraction de la gravité. Il a déterminé la densité de la Terre en utilisant une balance de torsion pour mesurer la faible force gravitationnelle entre des billes de plomb. Lorsque les boules de plomb sont attirées l'une vers l'autre, la barre tourne pour vaincre la résistance au couple du fil égale à la force gravitationnelle entre les boules. En effet, la résistance est fonction de l'angle de rotation et du coefficient de torsion du fil. À un certain angle, le couple est égal à la force gravitationnelle. Dans l'article publié par Cavendish sur l'expérience, il a donné la valeur de la densité et de la masse de la Terre mais n'a jamais mentionné la valeur de \ (G\). Ce n'est que lorsque d'autres scientifiques ont répété l'expérience qu'ils sont parvenus à la valeur moderne de \ (G\). Cependant, la valeur de \ (G\) résultant de l'expérience de Cavendish était très précise et se situait à moins de 1 % des mesures actuelles.
La balance de torsion permet de mesurer la force de traction de la gravité domaine public
Calculs de la force de traction
Terminons cette explication en examinant quelques exemples impliquant des forces de traction.
Rappelle-toi que la première loi du mouvement de Newton ou loi de l'inertie dit qu'un objet en état de repos continue d'être en état de repos ou se déplace avec une vitesse uniforme jusqu'à ce qu'une force extérieure déséquilibrée agisse sur lui. Revoyons cette loi à l'aide d'un exemple concret :
Problème :
Des enfants prennent le bus scolaire pour rentrer de l'école quand, soudain, le bus s'arrête. Tous les sacs à dos et les boîtes à lunch des élèves qui se trouvent sur le plancher commencent à glisser vers l'avant. À ton avis, quelle est la cause de ce glissement ?
Solution :
Les boîtes à lunch et les sacs à dos sur le plancher continuent leur mouvement, conservant leur vitesse (si la friction est assez petite pour être ignorée), alors que la vitesse de l'autobus diminue. La première loi de Newton nous dit que si aucune force nette n'agit sur un objet au repos, l'objet reste au repos ; ou si l'objet est en mouvement, il continue à se déplacer à une vitesse constante en ligne droite. Dans ce cas, aucune force de traction n'empêche les boîtes à lunch et les sacs à dos de glisser vers l'avant.
La deuxième loi de Newton dit que l'accélération produite par un objet est directement proportionnelle à la force qui agit sur lui et inversement proportionnelle à la masse de l'objet. Si une force nette est exercée sur un objet, la vitesse de l'objet changera parce qu'une force nette exercée sur un objet peut faire augmenter sa vitesse. Ou, si la force nette est dans la direction opposée au mouvement, la force réduira la vitesse de l'objet.
Voyons un exemple d'utilisation de la deuxième loi de Newton pour résoudre un problème :
Problème: forcer l'arrêt d'un véhicule
Un véhicule roule sur l'autoroute, mais il doit s'arrêter complètement au feu rouge. Quelle est la force nette moyenne nécessaire pour immobiliser un véhicule qui roule à une vitesse de 100 km/h sur une distance de 55 km/h ?
Force nette moyenne pour arrêter un véhicule en accélération StudySmarter Originals
Approche :
Nous pouvons utiliser la deuxième loi de Newton pour déterminer la force puisque nous connaissons la masse et l'accélération du véhicule. Nous connaissons la masse, mais nous devons calculer l'accélération \(a\). Nous supposons que l'accélération est constante et nous pouvons donc utiliser les équations cinématiques.
Solution :
Nous supposons que le mouvement se fait le long de l'axe \(+x\). On nous donne la vitesse initiale \(v_0 = 100 \, \mathrm{km}/\mathrm{h} = 28 \, \mathrm{m}/\mathrm{s}\), la vitesse finale \(v = 0 \,\mathrm{m}/\mathrm{s}\) , et la distance parcourue \(x - x_0 = 55\, \mathrm{m}\). Puisque l'accélération est la quantité inconnue que nous recherchons, nous pouvons utiliser l'équation cinématique indépendante du temps,
\[v^2 = v_0^2 + 2a(x-x_0)\]
de sorte que
\[\begin{align} a &= \frac{v^2 - v^2_0}{2(x-x_0)} \\\N- &= \frac{(0 \N,\mathrm{m}/\mathrm{s})^2 - (28 \N,\mathrm{m}/\mathrm{s})^2}{2(55 \N,\mathrm{m})) \N- &= -7.1 \N-, \Nmathrm{m}/\Nmathrm{s}^2. \N- [end{align}\N]
La force nette requise est donc
\N- [\N- Début{align} F_{\text{net}} &= ma \\N &= (1500\N, \Nmathrm{kg})(-7.1 \Nmathrm{m}/\Nmathrm{s}^2) \Nmathrm{s}^2) \Nmathrm{s}^2 &= 1.1 \Nfois 10^4 \Nmathrm{N}.\Nend{align}\N]
La force doit être exercée dans la direction opposée à la vitesse initiale, c'est ce que signifie le signe négatif. Note également que la force nette responsable de l'arrêt du chariot est la force de frottement.
Forces de traction - Points clés
- Une force de poussée est une force qui s'aligne sur la direction de l'état de mouvement résultant de l'objet.
- Une force de traction est une force par laquelle un objet se déplace vers la source de l'interaction, soit par contact direct, soit par l'effet d'un champ de force à longue portée.
- Les aimants sont capables de produire des champs magnétiques, d'attirer les pôles opposés et de repousser les pôles semblables.
- La force de traction d'un aimant est la force nécessaire pour tirer cet aimant verticalement d'une plaque faite d'un matériau ferromagnétique.
- Près de la surface de la Terre, l'équation du poids donne une mesure de la force de traction de la gravité.
- Nous attribuons à Henry Cavendish la première mesure précise de la constante gravitationnelle, \(G\), sans laquelle nous ne pourrions pas calculer l'accélération due à la gravité.
Références
- https://publicdomainvectors.org/en/free-clipart/Boys-carrying-crate/39172.html
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Questions fréquemment posées en Forces de traction
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