Forces et équilibre : cours de physique-chimie en CAP

Un livre posé sur une table ne bouge pas. Une lampe suspendue au plafond reste en place. Un échafaudage tient debout sur le chantier. Dans chacun de ces cas, des forces s'exercent sur l'objet, et pourtant rien ne se déplace. Comment est-ce possible ?

La réponse tient en un mot : l'équilibre. Dans ce cours, tu vas apprendre à décrire une force avec précision, à reconnaître le poids d'un objet, puis à comprendre pourquoi certains solides restent immobiles malgré les forces qui les sollicitent. Tu t'appuies sur ce que tu as déjà vu avec le mouvement et la vitesse : un objet qui ne bouge pas a une vitesse nulle, et on cherche maintenant à comprendre pourquoi.

Pense à une balance à deux plateaux. Si les deux plateaux portent la même charge, ils restent à la même hauteur. Si l'un porte plus que l'autre, il descend : une action l'a emporté. L'équilibre, c'est le cas où personne ne gagne.

Quand tu pousses une porte, tu tires un tiroir ou tu soulèves un sac, tu exerces une action mécanique sur un objet. Les actions du quotidien ne se ressemblent pas : un pouce qui appuie sur une punaise n'a rien à voir avec un câble qui retient une charge. Pour les comparer et les calculer, la physique les remplace par un même modèle : la force.

Reprenons ces trois caractéristiques une par une, avec l'exemple d'une personne qui tire une caisse avec une corde.

• La direction : c'est la droite le long de laquelle la force agit. Ici, c'est la droite de la corde. On parle aussi de droite d'action.
• Le sens : sur cette droite, on peut aller dans un sens ou dans l'autre. La caisse est tirée vers la personne, pas dans l'autre direction.
• La valeur : elle dit si la force est grande ou petite. On la mesure en newtons avec un dynamomètre. Une valeur de 40 N signifie une action plus forte qu'une valeur de 10 N.

Lâche un stylo : il tombe. Une action s'exerce donc sur lui, même si rien ne le touche. Cette action est le poids. Elle s'exerce sur tous les objets proches de la Terre, qu'ils soient posés, suspendus ou en train de tomber.

Une direction verticale, c'est celle d'un fil à plomb : la direction que prend un fil au bout duquel on accroche une masse. Le sens « vers le bas » est celui de la chute. Retiens bien que le poids ne dépend pas de la façon dont l'objet est posé : qu'il soit sur une table, sur un plan incliné ou dans ta main, le poids pointe toujours vers le bas, à la verticale.

Un livre posé sur une table subit son poids, vertical vers le bas. S'il n'y avait que cette force, il tomberait. Pourtant il reste immobile : la table exerce sur lui une action qui s'oppose au poids. Deux forces agissent, et elles se compensent.

Dans ce cours, on étudie surtout l'équilibre statique : un solide posé, accroché ou maintenu, qui reste immobile. Pour savoir si un solide est en équilibre, on fait le bilan de toutes les forces qui s'exercent sur lui, puis on regarde si elles se compensent.

Le programme demande de vérifier par l'expérience les conditions d'équilibre d'un solide soumis à deux forces.¹ Voici une expérience simple que tu peux faire en atelier ou en classe.

Tu observes les mêmes résultats à chaque essai quand l'anneau reste immobile :

• les deux fils sont alignés : les deux forces ont la même direction ;
• les deux dynamomètres tirent dans des sens opposés ;
• les deux dynamomètres affichent la même valeur.

Si tu tires plus fort d'un côté que de l'autre, l'anneau se met en mouvement vers le côté qui tire le plus : l'une des forces l'emporte, il n'y a plus équilibre. Si tu inclines un des fils, l'anneau tourne ou se déplace aussi.

Rassemblons tout ce qui précède dans une démarche que tu peux appliquer à n'importe quelle situation du cours.

Cette idée est utile dans les métiers : un grutier, un maçon ou un électricien doivent savoir qu'un câble, une chaîne ou une fixation doit pouvoir exercer une force au moins égale au poids qu'elle retient. Si la charge dépasse ce que le support peut exercer, l'équilibre est rompu, et l'objet tombe.