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Définition de : FORCE, physique

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Article publié par Encyclopaedia Universalis FORCE, physique L'étude du mouvement et la recherche de ses causes constituent les fondements du développement de la physique. Moteur d'un mouvement ou cause d'une modification de ce mouvement, la notion de force s'est élaborée dès l'Antiquité jusqu'à être parfaitement définie par Isaac Newton comme une grandeur vectorielle. L'unité actuelle pour l'intensité d'une force est le Newton, défini comme la force qui communique – dans un repère galiléen – une accélération d'un mètre par seconde carrée à un objet ayant une masse de 1 kilogramme. Aristote (385 env.-322 av. J.-C.) note déjà dans sa Physique que, sans une contrainte extérieure à eux-mêmes, les corps resteraient toujours en repos. Tout mouvement nécessite donc un moteur dont l'action doit se prolonger autant que le mouvement, car Aristote n'étend pas le concept d'inertie au mouvement. Selon ces vues, le mouvement forcé s'oppose au mouvement naturel, qui ramène tout objet vers son lieu naturel lorsqu'il en a été écarté. Mais le milieu à travers lequel le mobile se meut exerce une résistance qui freine le mouvement jusqu'à éventuellement l'arrêter. Aristote considère ainsi que la vitesse d'un corps en mouvement forcé est proportionnelle à la force appliquée et inversement proportionnelle à la capacité de résistance du milieu. Cette notion de force se limite aux modes d'action par contiguïté, comme la poussée exercée par la main sur un objet.
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FORCE, physique

L'étude du mouvement et la recherche de ses causes constituent les fondements du développement de la physique. Moteur d'un mouvement ou cause d'une modification de ce mouvement, la notion de force s'est élaborée dès l'Antiquité jusqu'à être parfaitement définie par Isaac Newton comme une grandeur vectorielle. L'unité actuelle pour l'intensité d'une force est le Newton, défini comme la force qui communique – dans un repère galiléen – une accélération d'un mètre par seconde carrée à un objet ayant une masse de 1 kilogramme.

Aristote (385 env.-322 av. J.-C.) note déjà dans sa Physique que, sans une contrainte extérieure à eux-mêmes, les corps resteraient toujours en repos. Tout mouvement nécessite donc un moteur dont l'action doit se prolonger autant que le mouvement, car Aristote n'étend pas le concept d'inertie au mouvement. Selon ces vues, le mouvement forcé s'oppose au mouvement naturel, qui ramène tout objet vers son lieu naturel lorsqu'il en a été écarté. Mais le milieu à travers lequel le mobile se meut exerce une résistance qui freine le mouvement jusqu'à éventuellement l'arrêter. Aristote considère ainsi que la vitesse d'un corps en mouvement forcé est proportionnelle à la force appliquée et inversement proportionnelle à la capacité de résistance du milieu. Cette notion de force se limite aux modes d'action par contiguïté, comme la poussée exercée par la main sur un objet. En revanche, la cause du mouvement des objets célestes est attribuée à des agents immatériels. Archimède (287-212 av. J.-C.), dans ses travaux fondateurs de l'hydrostatique, précise que chaque partie d'un fluide est pressée par tout le poids de la colonne qui est au-dessus d'elle. Il ajoute que tout ce qui est poussé par le fluide est dirigé suivant la perpendiculaire qui passe par son centre de gravité. Les notions d'intensité, de direction et de point d'application d'une force sont ainsi déjà clairement dégagées, au moins pour les actions de contact.

Au Moyen Âge, Jean Buridan (1300-1358) introduit la notion d'impetus pour désigner la force incorporelle imprimée, c'est-à-dire une force motrice transmise par le moteur initial au corps mis en mouvement. Dans ses premiers travaux d'astronomie (1596), Johannes Kepler appelle encore « âme » la cause du mouvement d'une planète, mais lorsqu'il se rend compte que cette cause décroît lorsque la distance au Soleil augmente, il l'appelle virtus et considère qu'il s'agit d'une quantité physique semblable à une attraction magnétique produite par le Soleil (Astronomia Nova, 1609). En 1638, Galilée déclare dans son Discours concernant deux sciences nouvelles qu'un corps pesant « possède par nature un principe intrinsèque pour se mouvoir vers le centre commun des graves », mais ne s'interroge pas plus sur la cause de ce mouvement. René Descartes (1596-1650) définit la pesanteur comme la force qui unit toutes les parties de la Terre, et en particulier l'effet du mouvement des parties du petit ciel environnant la Terre. Lorsqu'il décrit la transmission du mouvement d'un corps à un autre, il considère comme centrale l'action des chocs et des tourbillons.

Les trois lois du mouvement énoncées en 1687 par Newton dans ses Principia fondent la mécanique classique. Le concept de force apparaît dans chacune d'elles, et Newton insiste sur le fait que « toute la tâche de la philosophie semble consister en ceci : à partir des phénomènes de mouvement, s'enquérir des forces de la nature, puis à partir de ces forces démontrer les autres phénomènes ». D'ailleurs, l'ouvrage commence par une série de huit définitions dont six précisent la notion de force. La première de celles-ci concerne l'inertie et énonce que la force interne de la matière est le pouvoir de résistance par lequel chaque corps persévère dans son état de repos ou de mouvement rectiligne uniforme. La force imprimée est définie ensuite comme une action exercée sur un corps, qui a pour effet de changer son mouvement mais qui ne persiste pas lorsque l'action cesse. Les quatre dernières définitions concernent les forces centripètes considérées comme causes des mouvements circulaires. Il est à noter que la force imprimée est ce qu'on appelle aujourd'hui une impulsion plutôt qu'une force, comme le montre clairement la seconde loi, « le changement de mouvement est proportionnel à la force motrice imprimée », qui ne précise pas pendant quel intervalle de temps a lieu la variation de la quantité de mouvement (définie comme le produit de la masse de l'objet par sa vitesse).

Il est clair que Newton considère la force comme une entité physique réelle et non pas seulement comme une notion intermédiaire commode pour inférer des phénomènes à partir d'autres phénomènes. Le débat d'idées à ce propos fut vif et fourni. Son contemporain Nicolas Malebranche (1638-1715) rejeta ce rôle central de la force, allant jusqu'à déclarer que cette notion servait surtout à « mettre à couvert l'ignorance des faux savants ». Jean D'Alembert (1717-1783) se méfiait aussi de cette notion qui, selon lui, défie toute définition précise. Il affirmait que les causes des mouvements sont des êtres obscurs qui ne sont capables que « de répandre des ténèbres sur une science claire par elle-même ». Il se faisait l'avocat de la primauté des notions de vitesse et d'accélération, la force motrice ne devant être, à ses yeux, qu'une notion dérivée. Une critique analogue fut formulée par Lazare Carnot (1753-1823) qui se demandait ce que l'on peut « entendre dans le langage précis des mathématiques par une force ».

À la fin du xixe siècle, le développement de l'électromagnétisme voit apparaître la notion de champ dont le rôle central s'affirme aux dépens de celui des forces. Ce concept permet en particulier d'éviter le problème de l'action à distance sous-entendu par la théorie newtonienne, alors que Newton qualifiait lui-même d'absurde l'idée « qu'un corps puisse agir sur un autre à travers l'espace vide sans nul intermédiaire ». D'autre part, l'extrême géométrisation de la gravitation proposée par Albert Einstein dans sa théorie de la relativité générale remplace la force de pesanteur par une déformation de l'espace-temps.

Une notion dérivée est celle de pseudo-force, utilisée lorsqu'on étudie la dynamique d'un système dans un repère non galiléen, par exemple dans un référentiel terrestre puisque le mouvement de la Terre n'est pas rectiligne uniforme. L'analyse des lois du mouvement montre alors que tout se passe comme si on devait ajouter des pseudo-forces aux forces réelles dues aux actions des objets en interaction. Ces pseudo-forces, dites d'entraînement ou force de Coriolis, sont proportionnelles à la masse de l'objet et ont des effets physiques remarquables comme l'inclinaison des vents alizés près de l'équateur ou la déviation des grands courants marins, vers l'est pour le Gulf Stream et vers l'ouest pour le courant du Labrador.

Dans un sens plus général, l'expression « forces de la nature » désigne souvent l'ensemble des phénomènes physiques, qu'ils soient accompagnés ou non de modification de mouvement. Ainsi, les forces radioactives sont les causes des transmutations de noyaux atomiques, et leurs effets sont plus variés que ceux des forces gravitationnelles. Dans le langage de la physique moderne, on préfère souvent le terme d'interactions. Le champ de la physique est alors couvert par les multiples effets de quatre interactions fondamentales : d'une part, la gravitation et l'électromagnétisme qui ont une portée infinie et dont la description classique est souvent fort suffisante, d'autre part les interactions nucléaires fortes et faibles qui ne s'expriment qu'à très courte distance et dont la description est essentiellement quantique.

Auteur: Bernard PIRE
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