Force, masse et accélération : La deuxième loi du mouvement de Newton

La première loi du mouvement d’Isaac Newton stipule : « Un corps au repos restera au repos, et un corps en mouvement restera en mouvement à moins qu’il ne soit actionné par une force extérieure. » Qu’arrive-t-il donc à un corps lorsqu’une force extérieure lui est appliquée ? Cette situation est décrite par la deuxième loi du mouvement de Newton.

Selon la NASA, cette loi stipule que « la force est égale à la variation de la quantité de mouvement par variation de temps. Pour une masse constante, la force est égale à la masse multipliée par l’accélération. » Cela s’écrit sous forme mathématique comme F = ma

F est la force, m la masse et a l’accélération. Les mathématiques derrière cela sont assez simples. Si vous doublez la force, vous doublez l’accélération, mais si vous doublez la masse, vous réduisez l’accélération de moitié.

Newton a publié ses lois du mouvement en 1687, dans son ouvrage fondateur « Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica » (Principes mathématiques de la philosophie naturelle) dans lequel il a formalisé la description de la façon dont les corps massifs se déplacent sous l’influence de forces extérieures.

Newton a développé les travaux antérieurs de Galilée, qui a élaboré les premières lois précises du mouvement des masses, selon Greg Bothun, professeur de physique à l’université de l’Oregon. Les expériences de Galilée ont montré que tous les corps accélèrent à la même vitesse, quelle que soit leur taille ou leur masse. Newton a également critiqué et développé les travaux de René Descartes, qui a également publié un ensemble de lois de la nature en 1644, deux ans après la naissance de Newton. Les lois de Descartes sont très similaires à la première loi du mouvement de Newton.

Accélération et vitesse

La deuxième loi de Newton dit que lorsqu’une force constante agit sur un corps massif, elle provoque son accélération, c’est-à-dire le changement de sa vitesse, à un rythme constant. Dans le cas le plus simple, une force appliquée à un objet au repos provoque son accélération dans la direction de la force. Cependant, si l’objet est déjà en mouvement, ou si cette situation est vue depuis un référentiel inertiel en mouvement, ce corps pourrait sembler accélérer, ralentir ou changer de direction en fonction de la direction de la force et des directions dans lesquelles l’objet et le référentiel se déplacent l’un par rapport à l’autre.

Les lettres F et a en gras dans l’équation indiquent que la force et l’accélération sont des quantités vectorielles, ce qui signifie qu’elles ont à la fois une magnitude et une direction. La force peut être une force unique ou être la combinaison de plusieurs forces. Dans ce cas, nous écririons l’équation comme suit : ∑F = ma

Le grand Σ (la lettre grecque sigma) représente la somme vectorielle de toutes les forces, ou la force nette, agissant sur un corps.

Il est assez difficile d’imaginer appliquer une force constante à un corps pendant une durée indéterminée. Dans la plupart des cas, les forces ne peuvent être appliquées que pendant un temps limité, produisant ce que l’on appelle une impulsion. Pour un corps massif se déplaçant dans un cadre de référence inertiel sans qu’aucune autre force, telle que la friction, n’agisse sur lui, une certaine impulsion provoquera un certain changement dans sa vitesse. Le corps pourrait accélérer, ralentir ou changer de direction, après quoi, le corps continuera à se déplacer à une nouvelle vitesse constante (à moins, bien sûr, que l’impulsion ne provoque l’arrêt du corps).

Il existe cependant une situation dans laquelle nous rencontrons une force constante – la force due à l’accélération gravitationnelle, qui amène les corps massifs à exercer une force vers le bas sur la Terre. Dans ce cas, l’accélération constante due à la gravité s’écrit g, et la deuxième loi de Newton devient F = mg. Remarquez que dans ce cas, F et g ne s’écrivent pas conventionnellement comme des vecteurs, car ils pointent toujours dans la même direction, vers le bas.

Le produit de la masse par l’accélération gravitationnelle, mg, est connu sous le nom de poids, qui n’est qu’un autre type de force. Sans gravité, un corps massif n’a pas de poids, et sans corps massif, la gravité ne peut pas produire de force. Pour vaincre la gravité et soulever un corps massif, vous devez produire une force ascendante ma qui est supérieure à la force gravitationnelle descendante mg.

La deuxième loi de Newton en action

Les fusées voyageant dans l’espace englobent les trois lois du mouvement de Newton.

Si la fusée doit ralentir, accélérer ou changer de direction, une force est utilisée pour lui donner une poussée, provenant généralement du moteur. L’importance de la force et l’endroit où elle fournit la poussée peuvent modifier l’une ou l’autre, voire les deux, de la vitesse (la partie magnitude de l’accélération) et de la direction.

Maintenant que nous savons comment un corps massif dans un référentiel inertiel se comporte lorsqu’il est soumis à une force extérieure, comme la façon dont les moteurs créant la poussée manœuvrent la fusée, qu’arrive-t-il au corps qui exerce cette force ? Cette situation est décrite par la troisième loi du mouvement de Newton.

Rapport complémentaire de Rachel Ross, collaboratrice de Live Science.

Voir aussi :

  • Les lois du mouvement de Newton
  • Inertie & Première loi du mouvement de Newton

.