Vous avez dit Force ?

Je viens d’acquérir un dictionnaire que je vous conseille vivement : le dictionnaire de physique de Richard Taillet, Loïc Villain et Pascal Febvre édité chez De Boeck, il vient juste de paraître. Il y a plus de 5300 définitions de physique succinctes mais suffisantes dans tous les domaines : mécanique solide et fluide, thermodynamique, acoustique, électromagnétisme, optique, physique des particules, physique quantique, astrophysique, etc. On y trouve également les grands personnages ayant marqué la Science. En plus, à la fin figure un index anglais-français (fort utile pour écrire une thèse) et quelques rappels de mathématique ainsi que la liste des constantes et unités utilisées en physique. Le tout pour la somme modique de 35€ !

Le mouvement Quel rapport avec le titre ? Eh bien les pages 209, 210, 211 et 212 de ce dictionnaire sont pleines de forces : 23 entrées commençant par le mot « force » ! Qu’est-ce qu’une force en physique ? En mécanique, une force permet le mouvement d’un objet. Une force est un vecteur, cela signifie qu’elle possède une intensité qui se mesure en Newton mais également une direction et un sens qui correspondent à la direction et au sens du mouvement engendré.

Histoire de Twingo

Par définition, une force de 1 Newton permet d’accélérer un objet de 1 kilogramme de 1 mètre par seconde à chaque seconde. Avec ma Twingo de 850 kilogrammes, je fais 0-100km/h en 20 secondes sur du plat, le moteur a donc fournit en moyenne une force de 850*(100/3.6)/20 = 1200 Newton pendant 20 secondes! En fait, c’est faux, la Twingo a du fournir beaucoup plus ! Ce calcul est valable uniquement dans l’espace (dans le vide) et ma Twingo n’est pas équipée pour. Sur Terre, il faut rajouter la force de gravité de la Terre, les frottements de l’air qui génèrent une force inverse au déplacement de la Twingo (donc qui freine), dite force de frottement ou de friction (tiens, encore 7 entrées commençant par le mot « frottement » dans le fameux dictionnaire). Il y a également les frottements des roues sur le sol qui freinent la voiture. Le calcul complet avec les frottements est tout de même assez simple et se fait en classe de terminale il me semble…

La Terre génère des forces

Voici la raison des 4 pages de forces dans le dictionnaire ! Il existe une multitude forces, de diverses origines. La plus connue, c’est le poids, également appelée force gravitationnelle, à ne pas confondre avec la masse !!! Le poids correspond à la force que la Terre exerce sur les objets possédants une masse, il est égal à notre masse multipliée par l’accélération gravitationnelle de la Terre (le fameux « g » égale en moyenne à 9,81 m/s²). Une personne ayant une masse de 80 kg pèse 785 Newton sur Terre en moyenne. Je dis « en moyenne » car le poids varie selon l’emplacement sur Terre. J’ai d’ailleurs fait un billet spécial à ce sujet : Le poids sur Terre.

Outre la force gravitationnelle que l’on ressent constamment, la Terre exerce 2 autres forces plus subtiles, la force centrifuge due à la rotation de la Terre sur elle-même qui tend à nous expulser vers le ciel et la force de Coriolis qui agit sur les objets en mouvement sur la Terre qui est en rotation. On la ressent également quand on se déplace sur un manège qui tourne, c’est elle qui nous fait « dévier » par rapport au référentiel du manège. La force de Coriolis est en fait une force fictive car elle résulte de l’accélération d’un référentiel en rotation par rapport à un autre. La force de Coriolis créée par la Terre se ressent sur les objets de grandes tailles en mouvement comme les cyclones qui tournent dans le sens des aiguilles d’une montre dans l’hémisphère nord et dans le sens inverse dans l’hémisphère sud.

Le cyclone Katrina tourne dans le sens des aiguilles d’une montre à cause de la Force de Coriolis

Attention : le sens de rotation de l’eau dans les éviers n’a rien à voir avec la force de Coriolis comme on peut l’entendre dans des conversations de comptoir, c’est une fausse idée reçue !

Les Souris tournent dans l’évier dans un sens aléatoire (qui dépend de la forme du récipient, de la position du robinet, de l’agitation des souris, etc.)

Les forces en physique des particules

En physique des particules, on ne parle que de 4 forces fondamentales, ou plutôt de 4 interactions fondamentales qui expliquent toutes les interactions de la matière !

1 – Force de gravité

La première est la force de gravitation que nous avons déjà abordée avant. Elle est véhiculée par des particules appelée gravitons mais ils sont encore mal connus car difficile à détecter, je ne rentre pas dans les détails…

2 – Force électromagnétique

Il y a les forces d’origine électrique issues des interactions entre les charges électriques, c’est la force de Coulomb qui fait de l’électricité statique sur votre pull-over. On observe également des forces magnétiques comme dans les aimants que l’on colle sur nos réfrigérateurs. En combinant ces 2 forces (électrique + magnétique) on obtient la force électromagnétique, dite de Lorentz . Elle est véhiculée par les photons (oui, ce sont ces petits grains de lumière).

Détails dans des précédents billets : Le magnétisme et la nature de la lumière ou l’électromagnétisme

3 – Force Faible

Souvent appelée interaction nucléaire faible, elle est relativement complexe à comprendre. C’est elle qui permet la désintégration (bêta) de certaines particules en d’autres, entraînant un phénomène découvert par Becquerel et Marie Curie : la radioactivité. On la surnomme « faible » car son intensité est très faible comparée aux autres forces et elle n’est observable que sur de très courtes distances, de l’ordre du milliardième de milliardième de mètre. Seuls les quarks et les leptons y sont sensibles (comme l’électron par exemple). Elle est véhiculée par les bosons W et Z, découverts au CERN dans les années 80.

Collisions entre protons et anti-protons au CERN à Genève dans le SPS ayant permis la découverte des bosons W et Z en 1982.

A haute énergie, la force faible peut être couplée avec l’interaction électromagnétique, ces 2 interactions unifiées forme alors l’interaction électrofaible, encore plus fondamentale donc :  2 en 1 !

4 – Force Forte

C’est elle nous tiens « coller » en un seul morceau. En effet, cette force permet la cohésion entre les particules qui constituent les noyaux des atomes, c’est-à-dire les quarks. Je rappelle que les protons et les neutrons ne sont pas des particules élémentaires car ils sont constitués de ces fameux quarks.

J’aime utiliser la métaphore de l’élastique pour expliquer cette force : vous tendez un gros élastique à peine tendu entre vos 2 mains, la force exercée sur chaque main est relativement faible. Maintenant vous écartez les mains, l’élastique se tend et la force qui tend à rapprocher vos main augmente, vous avez de plus en plus de mal à écarter les mains ! La force forte, c’est comme un élastique qui tient les quarks : plus ils s’éloignent les uns des autres, plus la force augmente et ils restent donc bien groupé. Pour les séparer, ils faut apporter une énergie colossale, c’est ce que les accélérateurs de particules font… Evidemment il n’y a pas d’élastique dans l’histoire mais des gluons, ce sont eux qui sont porteur de cette force, jouant le rôle de « glu ».

Plasma de quarks et de gluons issu de la collisions d’ions d’or dans l’accélérateur RHIC au Brookhaven National Laboratory près de New York

On appelle désormais l’interaction forte l’interaction de couleur, mais pourquoi ? Un physicien des particules vous répondra : « facile, c’est parce que les quarks possèdent une couleur !» . Je vous sens septique ? vous avez raison, rien à voir avec une vraie « couleur » au sens propre, c’est juste un délire des physiciens qui ont attribués aux quarks les couleurs verte, bleue et rouge pour illustrer leur propriétés physique au même titre qu’une charge électrique dans l’interaction électromagnétique. Il y a aussi du jaune, du cyan et du magenta pour les anti-quark (les anti particules des quarks) et nos chers gluons sont bicolores, il y en a donc 9 mais en fait il ne sont que 8 pour des histoires symétriques bien compliquées… Oui, la physique des particules est étrange… Pour votre gouverne, cette histoire de couleur, c’est la théorie de la chromodynamique quantique, essayez donc de placer ce mot dans une conversation mondaine, vous ferez sensation !