Forces et interactions fondamentales

Toute action entre deux objets se ramène à l'une des quatre interactions fondamentales, modélisée par un vecteur force.

1 L'idée

Quand deux objets agissent l'un sur l'autre, on dit qu'ils sont en interaction. En physique, cette action est modélisée par une force. Toutes les forces observées dans l'univers se ramènent à quatre interactions fondamentales.

Les forces peuvent être exercées à distance (la Terre attire la Lune sans contact) ou par contact (une table soutient un livre). Les forces de contact sont en réalité des manifestations de l'interaction électromagnétique à l'échelle atomique.

2 Les quatre interactions fondamentales

Gravitationnelle — entre tout objet possédant une masse. Toujours attractive. Portée infinie. Responsable du poids et des orbites planétaires.
Électromagnétique — entre particules chargées électriquement. Attractive ou répulsive. Portée infinie. Responsable des forces de contact, de la chimie et de l'électricité.
Forte (nucléaire forte) — entre quarks et nucléons. Portée $\approx 10^{-15}$ m. Très intense ; assure la cohésion des noyaux atomiques malgré la répulsion électrique entre protons.
Faible (nucléaire faible) — responsable de certaines désintégrations radioactives. Portée $\approx 10^{-18}$ m.

3 Caractéristiques d'un vecteur force

Point d'application

$A \text{ — point où la force est appliquée sur l'objet}$

Direction

$\text{droite le long de laquelle agit la force}$

Sens

$\text{indiqué par la flèche du vecteur}$

Valeur (norme)

$F \text{ exprimée en Newtons (N)}$

Poids

$P = m \times g \qquad (g = 9{,}8 \text{ N/kg au sol})$

4 Forces sur un livre posé sur une table

Livre de masse m = 0,4 kg, immobile sur une table horizontale

La Terre exerce le poids $\vec{P}$ : vertical, vers le bas. $P = 0{,}4 \times 9{,}8 \approx 3{,}9$ N.

La table exerce la réaction du support $\vec{R}$ : verticale, vers le haut.

Le livre est immobile : $\vec{P} + \vec{R} = \vec{0}$, donc $R = P = 3{,}9$ N.

Méthode — Faire le bilan des forces sur un objet

Isoler l'objet étudié.
Lister tous les objets en interaction avec lui (Terre → poids, support → réaction, fil → tension…).
Pour chaque force : préciser point d'application, direction, sens et valeur.
Représenter chaque vecteur à l'échelle sur le schéma avec son étiquette ($\vec{P}$, $\vec{R}$, $\vec{T}$…).
Si l'objet est immobile : $\sum \vec{F} = \vec{0}$.

Erreurs fréquentes

Confondre masse (en kg) et poids (en N) : la masse est une propriété de l'objet ; le poids est une force exercée par la Terre.
Tracer le poids vers le haut : le poids est toujours vertical, dirigé vers le bas.
Appliquer $P = m \times g$ avec $m$ en grammes : convertir d'abord en kilogrammes.
Croire que les forces de contact constituent une cinquième interaction : elles sont des manifestations de l'interaction électromagnétique.