Représenter une force : cours de physique-chimie 4e

Quand un objet bouge, s'arrête ou reste immobile, quelque chose agit sur lui. Un ballon qui tombe, une voiture qui freine, un livre posé sur une table : à chaque fois, d'autres objets interviennent. En physique, on cherche à décrire ces actions avec précision, sans se contenter de dire « ça pousse » ou « ça tire ».

Pour cela, on utilise un modèle. Un modèle est une version simplifiée de la réalité, qui garde seulement ce qui compte. Ici, le modèle est la force, et on le dessine par une flèche. Le programme du cycle 4 demande de modéliser une interaction par une force qui possède un point d'application, une direction, un sens et une valeur ¹.

Dans ce cours, tu vas apprendre à :

• retrouver l'interaction à l'origine d'une force ;
• décrire une force avec ses quatre caractéristiques ;
• choisir une échelle ;
• dessiner correctement la flèche ;
• calculer et représenter le poids d'un objet.

Prends l'exemple d'un cartable que tu portes à bout de bras. Le point d'application se trouve sur la poignée du cartable, là où ta main la tient. La direction est verticale. Le sens est vers le haut, puisque ta main empêche le cartable de tomber. La valeur dépend de la masse du cartable.

Il faut bien distinguer direction et sens. Une direction « verticale » est une droite ; elle admet deux sens, vers le haut ou vers le bas. Une direction « horizontale » admet de même deux sens : vers la gauche ou vers la droite.

La valeur d'une force se mesure avec un dynamomètre : un ressort gradué qui s'allonge davantage quand la force augmente. Le programme prévoit de mesurer une force à l'aide de cet instrument ². Pour lire la valeur, on accroche l'objet, on attend que le ressort se stabilise et on lit la graduation en regard de l'index.

La valeur d'une force s'exprime en newtons, de symbole N. Un dynamomètre dont la graduation affiche 4 signifie que la force vaut 4 N.

On modélise une force par un segment fléché ⁶. Chaque caractéristique de la force se retrouve dans le dessin :

• l'origine de la flèche est le point d'application ;
• la droite qui porte la flèche donne la direction ;
• la pointe de la flèche indique le sens ;
• la longueur de la flèche est proportionnelle à la valeur.

Le poids d'un objet est la force exercée par la Terre sur lui. Il modélise l'interaction gravitationnelle entre la Terre et l'objet, qui agit à distance ⁶. Le programme associe au poids la force de pesanteur et son expression P = m × g ⁵.

Pour représenter le poids, on dessine la flèche ainsi :

• point d'application : au centre de l'objet, pour simplifier le schéma ;
• direction : verticale ;
• sens : vers le bas, vers la Terre ;
• valeur : $P = m \times g$, convertie en longueur grâce à l'échelle.

Le programme propose d'expérimenter des situations d'équilibre statique, avec une balance, un ressort ou la force musculaire ¹. Sur un schéma, cela se voit bien : quand un objet reste immobile, les flèches des forces qui s'exercent sur lui se compensent.

Prends un livre posé sur une table. La Terre exerce sur lui son poids, vers le bas. La table exerce sur lui une force vers le haut, de même direction. Si le livre ne bouge pas, les deux flèches ont la même longueur, la même direction, et des sens opposés.