Forces gravitationnelles et électriques

Définition de la force gravitationnelle

La force gravitationnelle est probablement la force que tu connais le mieux : elle maintient tous les objets à la surface de la Terre au sol, accélère le téléphone que tu as laissé tomber par terre et maintient ensemble tous les corps en orbite dans notre système solaire. C'estaussi la force la plus faible.

L'interaction gravitationnelle est toujours attractive, elle attire les masses l'une vers l'autre. Pourquoi ? La gravité n'apasde composante positive ou négative comme les charges des protons, des électrons et des autres particules. Comme la masse elle-même est toujours positive, la force gravitationnelle attire toujours. Si la masse pouvait avoir une valeur négative, nous verrions des champs gravitationnels qui repousseraient d'autres masses, mais un univers avec ces lois pourrait ne pas être un univers dans lequel nous pourrions survivre !

Tu as probablement déjà entendu le terme "champ gravitationnel" et tu t'es demandé en quoi il différait de la définition de la force gravitationnelle. Les champs gravitationnels sont un autre terme que tu rencontreras tout au long de ton étude des forces fondamentales.

Maintenant que nous avons approfondinotre compréhension de la force gravitationnelle,plongeons-nous dans la célèbre équation qui régit cette interaction fondamentale.

L'équation de la force gravitationnelle

Laloi de la gravitation universelle de Newton, l'équation de la force gravitationnelle exercée entre deux objets de masse, s'écrit comme suit :

$F_g=G\frac{m_1{m}_2}{r^2}$,

où$m_1$et$m_2$sont les masses de deux objets,$r$est la distance entre les deux masses, et$G$est la constante gravitationnelle universelle,$G=6.674·{10}^{-11}\frac{{\mathrm{m}}^3}{\mathrm{kg}{\mathrm{s}}^2}$. La constante gravitationnelle est une constante de proportionnalité pour toutes les forces et champs gravitationnels dans l'univers.

La force gravitationnelle est de même ampleur pour lesdeux objets -les deux objets s'attirent l'un l'autre par gravitation . Si l'on prend comme exemple la masse de la Terre et la masse de ton propre corps, la force que tu exerces sur la planète est égale à la force que la planète exerce sur toi !

Lorsqu'une force gravitationnelle est exercée sur un objet, l'énergie et le travail sont conservés, ce qui signifie que l'énergie ne peut pas être créée ou détruite à cause de la gravité. Si un téléphone tombe du toit d'un immeuble, la force de gravité accélère le téléphone vers le bas et l'énergie potentielle est convertie en énergie cinétique.

Comprendre la force de gravité

Nous savons que l'attraction gravitationnelleest une propriété de toute masse. Qu'y a-t-il d'autre à savoir ? Une chose qui pourrait t'intriguer est la différence entre la théorie classique de la gravité et les théories modernes.

La force électrique Définition

La forceélectrique, également appelée force électrostatique pour les systèmes au repos, est une force entre deux charges.

Les charges électriques sont une propriété physique des particules. Les atomes, qui sont composés d'électrons, de protons et de neutrons, peuvent être chargés négativement ou positivement si les électrons et les protons ne sont pas équilibrés.

Ces interactions entre particules chargées sont généralement trop minuscules pour que nous puissions les observer avec nos seuls yeux, mais de nombreux phénomènes physiquesquenous connaissons à l'échelle macroscopique sont dus à ces forces qui agissent à l'échelle atomique et subatomique. À l'échelle atomique et subatomique, la force électrique domine la force gravitationnelle, ce qui signifie que la force de gravité entre les particules peut être ignorée.

Tout comme la force gravitationnelle, les forces électriques ont également une composante de champ. En effet, les particules chargées ont un champ électrique qui les entoure.

Les champs électriques peuvent se présenter sous différentes formes. Tu dois surtout te rappeler que, contrairement à la force gravitationnelle, les interactions électriques peuvent être attractives ou répulsives, selon les signes des charges impliquées. Examinons un exemple de lignes de champ entre une charge positive et une charge négative.

Lignes de champ entre une charge ponctuelle positive et une charge ponctuelle négative, Wikimedia Commons CC BY-SA 3.0

Voyonsmaintenant la loi et l'équation qui sous-tendent la force électrique.

L'équation de la force électrique

L'équation dela force électrique est communément appeléeloi de Coulomb. Cette équation s'écrit comme suit :

$F_{\mathrm{E}}=k\frac{q_1{q}_2}{r^2}$,

où$k$est la constante de Coulomb avec une valeur de$k=8.987·{10}^9\frac{\mathrm{N}{\mathrm{m}}^2}{{\mathrm{C}}^2}$,$q_1$et$q_2$sont les quantités et les signes de deux charges, et$r$est la distance entre les deux charges. Ces$q$charges sont mesurées en coulombs, une unité de charge électrique.Laloi de Coulomb nous donnera une réponse finale en unités de newtons.

Examinonslaloi de Coulomb pour deux charges identiques et deux charges différentes dans la figure suivante. Nous voyons ici que deux charges positives (ou deux charges négatives) se repoussent, tandis qu'une charge positive et une charge négative s'attirent.

La force électrique entre deux particules chargées situées à une distance r peut être calculée à l'aide delaloi de Coulomb, Wikimedia Commons CC BY-3.0.

Si nous voulons simplement connaître l'ampleur de la force électrique, nous pouvons prendre la valeur absolue du produit des deux charges, comme nous l'avons vu dans la figure précédente. C'est utile si l'on veut connaître l'intensité de la force exercée entre deux charges sans se soucier de la direction.

Principales caractéristiques de la force électrique et de la force gravitationnelle

Nous avons appris que, tout comme la force gravitationnelle, la force électrique entre deux particules est attractive - cependant, cela n'est vrai que pour deux particules de charges opposées. Nous constatons ici une divergence dans les similitudes avec la force de gravité. Lorsque deux charges sont identiques, la force électrique se repousse plutôt.

Tu te demandes peut-être à quoi ressemble la force électrique en action, alorspassonsen revue un exemple du monde réel.

Pour résumer jusqu'ici, voici les caractéristiques les plus importantes à retenir au sujet de la force électrique.

• La force électrique agit entre les particules chargées à l'échelle atomique et subatomique.
• On l'appelle aussi force électrostatique lorsque les charges sont au repos.Laloi de Coulomb est la loi physique et l'équation de la force électrostatique.
• Elle domine la force gravitationnelle à des échelles minuscules, de la taille d'un atome ou plus petite.
• La force électrique est attractive si deux charges sont différentes et répulsive si deux charges sont identiques.
• La force électrostatique est directement proportionnelle au produit des deux charges et inversement proportionnelle à la distance entre les deux charges.

Tuenapprendras plus sur les forces électriques et magnétiques dans AP Physics 2 - pour l'instant, le point le plus important à retenir est que la force exercée entre deux charges est égale en magnitude, et que la force est inversement proportionnelle au carré de la distance.

Avant de comparer ces deux interactions fondamentales, résumons ce que nous avons appris sur la gravité. Souviens-toi de ces caractéristiques clés de la force gravitationnelle.

• La force gravitationnelle est la plus faible des quatre forces fondamentales.
• La gravitation est toujours attractive et agit sur les centres des objets ou le centre de masse entre plusieurs objets.
• La force de gravitation est inversement liée au carré de la distance entre deux objets. Elleestaussi directement liée à la masse totale de deux objets.
• L'énergie totale et le travail dus à la force de gravité sont conservés - l'énergie potentielle provenant de la hauteur d'un objet est convertie en énergie cinétique.
• La gravité agit sur de longues distances, considérablement plus longues que l'échelle de la force électrique.

Comparaisons des forces gravitationnelle et électrique

Si tuasprêté attention aux caractéristiques de la force gravitationnelle et de la force électrique, tu as peut-être remarqué des similitudes entre ces lois !Voiciun tableau pratique des similitudes et des différences que tudoisretenir entre les deux.

Exemples de force gravitationnelle et de force électrique

Prenonsun exemple pour voir à quoi ressemble l'utilisation de l'équation de la force gravitationnelle dans un problème de physique.

Maintenant que tuasvu l'équation de la force gravitationnelle en action,faisonsun exemple en utilisant l'équation de la force électrique.

Ces lois se ressemblent beaucoup dans les problèmes de physique comme les deux exemples précédents. Au fur et à mesure que tu en apprendras plus sur les forces fondamentales,turencontreras des problèmes de résolution pour différentes valeurs inconnues.