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Physique > Mécanique classique > Les forces
Les lois de Newton
On connaît sous le nom de lois de Newton trois énoncés, le premier est le principe d'inertie, déjà formulé par Galilée, le second, qui est celui qui définit la force, est appelé la relation fondamentale de la dynamique, le troisième est principe des actions réciproques, dont Huygens, avait déjà fait un usage implicite dans sa théorie du pendule composé.

Première loi de Newton : principe d'inertie.
La première loi du mouvement de Newton peut s'exprimer comme suit :

• Il existe au moins un référentiel (appelé référentiel d'inertie ou référentiel   galiléen) dans lequel tout corps tend à maintenir son état de repos ou de mouvement à vitesse constante ( = mouvement rectiligne uniforme), si la force résultante de toutes les forces agissant sur ce corps est nulle.
La propriété d'un corps de conserver le même état de mouvement en l'absence de toute force nette ( = 0) agissant sur lui est appelée inertie. La première loi de Newton est souvent appelée principe d'inertie.
En pratique, les référentiels galiléens sont hors de notre portée. Nous devons nous contenter de considérer des référentiels approximativement galiléens. Ainsi un référentiel lié à la Terre n'est galiléen qu'en première approche. La Terre est en rotation sur elle-même et tourne aussi autour du Soleil; le Soleil tourne autour de la Galaxie, elle-même se déplaçant selon un trajectoire curviligne autour du centre de masse de l'amas de galaxies auquel elle appartient (le Groupe local), qui lui-même..., etc. Tous les mouvements qui ne sont ni rectignes ni uniformes interdisent donc la définition concrète d'un référentiel galiléen. On se contente donc, en pratique, de référentiels dont les mouvements sont négligeables dans le cadre du problème que l'on étudie.

Si un référentiel est galiléen (ou peut être considéré tel), tous les référentiels en mouvement rectiligne uniforme par rapport à lui sont des référentiels galiléens.

Comme le principe d'inertie, les deux autres lois de Newton ne sont appliquables telles quelles que dans un référentiel galiléen. Elles doivent inclure des termes supplémentaires dans le cas de référentiels non-galiléens.

Masse inertielle.
Comme nous le savons par expérience, certains objets ont plus d'inertie que d'autres. Il est évidemment plus difficile de modifier l'état de mouvement d'un gros rocher que celui d'une balle de tennis par exemple. L'inertie d'un objet se mesure par sa masse, ou plus exactement par sa masse inertielle. Cette masse inertielle est une mesure de la résistance d'un corps à modifier son état de mouvement lorsque ce corps est soumis à une action externe. (Unité SI de masse : le kilogramme, symbole : kg).

Un objet avec une petite masse présentera moins d'inertie et sera plus affecté par les autres autres objets avec lesquels il pourrait être en interaction. Un objet avec une grande masse présentera une plus grande inertie et sera moins affecté par les autres objets. 

La notion de masse d'un corps est attachée à celle de quantité de matière qu'il contient. Il s'ensuit que, contrairement au poids, la masse d'un corps ne varie pas avec l'emplacement. La masse d'un objet est la même sur Terre, en orbite ou à la surface de la Lune. La mécanique newtonienne pose comme un postulat la conservation de la masse totale d'un système : la masse d'un corps (ou d'un système de corps) reste constante quel que soit l'état de mouvement de ce corps. Cette assertion n'est plus valable dans le cadre de la mécanique relativiste (einsteinienne) qui fait dépendre la masse de la vitesse et conduit à introduire une masse minimale, appelée masse au repos et généralement notée m0. Aussi la masse ne peut-elle être considérée comme une une mesure de la quantité de matière que dans le cadre de la physique classique. Il existe d'autres manières, plus satisfaisantes, de définir une telle quantité en particulier en dénombrant le nombre d'entités élémentaires (atomes, molécules, etc.) que contient un corps. Les chimistes utilisent ainsi couramment une unité de quantité de matière (la mole)  qui correspond à un nombre défini (nombre d'Avogadro =  6,022.1023) d'entités élémentaires de nature donnée. 
Deuxième loi de Newton : relation fondamentale de la dynamique.
La deuxième loi de Newton, appelée aussi relation fondamentale de la dynamique, s'applique quelle que soit la résultante des forces considérée, que leur composante soit nulle ou non. Elle permet ainsi de calculer l'intensité d'une force en donnant enfin à cette grandeur physique une définition opérationnelle générale. 
• La relation fondamentale de la dynamique définit mathématiquement la force agissant sur un corps comme le taux de variation (dans le temps) de la quantité de mouvement de celui-ci :
f = dp/dt
Comme le vecteur quantité de mouvement est défini par p = m.v (v étant le vecteur vitesse), on a :
dp/dt = d(m.v)/dt = v.dm/dt + m.dv/dt  (dérivée d'un produit)
La masse totale d'un système correctement défini est constante, mais rien n'assure que la masse de tel ou tel corps appartenant à ce système le soit (par exemple la masse totale d'une fusée qui diminue à mesure qu'elle consomme son carburant, et seule la somme de la masse de la fusée et celle du carburant consommé est constante). Si la masse de la partie du système que l'on considère varie, la relation fondamentale de la dynamique doit être utilisée dans sa forme la plus générale. En revanche, dans le cas où la masse du corps (ou du système matériel) sur lequel s'applique la force peut bien être considérée comme constante, on a-: dm/dt = 0, et l'expression du vecteur force peut être simplifiée. Elle se réduit à :
f = m.dv/dt
Autrement dit la force f qui s'exerce sur le corps est proportionnelle à l'accélération de ce corps, la constante de proportionnalité étant sa masse inertielle m.
f = m.
Une formulation alternative de la relation fondamentale de la dynamique peut alors être-:
• L'accélération d'un système est directement proportionnelle et dans le même sens que la force externe nette agissant sur le système, et inversement proportionnelle à sa masse ( = f/m).
L'unité de force.
On a dit que l'unité de force dans le Système international de mesures (système SI) est le newton (N). Cette unité peut être définie grâce à la deuxième loi de Newton f = m.
Une force de 1 newton est la force nécessaire communiquer  le centre d'inertie d'un système matériel de 1 kilogramme une accéléreration de 1 mètre par seconde par seconde : 1 N = 1 kg. m/s².
La force est dès lors une grandeur vectorielle de dimensions  M.L.T-2.

Le poids et la force gravitationnelle.
On observe que lorsqu'un objet tombe, il accélère vers le centre de la Terre. La deuxième loi de Newton stipule qu'une force nette sur un objet est responsable de son accélération. Si la résistance de l'air est négligeable, la force nette sur un objet en chute est la force gravitationnelle, communément appelée son poids. On convient ainsi d'appeler poids la force gravitationnelle exercée par un astre quelconque (la Lune, Mars, l'astéroïde Ryugu, etc.) sur tous les corps situés à proximité de sa surface. 

Lorsque la force externe nette sur un objet est son poids, on dit qu'il est en chute libre. Un corps de masse m, en chute libre (sur une petite distance) est soumis à une accélération constante g, appelée accélération de la pesanteur. L'application de la deuxième loi de Newton permet de mettre g en relation avec le poids P de ce corps en écrivant : 

P = m.g

Le poids et l'accélération de la pesanteur sont des vecteurs dirigés vers le centre de la Terre (ou de l'astre considéré). 

On a dit que dans la physique newtonienne, la masse est considérée comme constante quel que soit l'état de mouvement de ce corps (et le référentiel dans lequel cet état est mesuré). Il n'en va pas de même du poids (la force d'attraction exercée par la Terre est fonction du lieu où elle est mesurée : elle dépend de la distance à son centre de masse et d'autres facteurs) et, partant, de l'accélération de la pesanteur. L'accélération  de la pesanteur ne peut être considérée comme constante que dans un espace relativement réduit.

Dans les calculs ordinaires, on adopte pour le module de g la valeur :

g = 9,806 65 m.s-²  9,81 m.s-². 

La physique newtonienne identifie deux grandeurs appelées masse. La masse inertielle (mi), dont il est question ici, et la masse gravitationnelle (mg), qui est le paramètre qui intervient dans la loi de l'attraction universelle de Newton. L'expérience conduit à constater la proportionalité de ces deux grandeurs, le facteur de de proportionnalité étant égal à 1, dans un système de mesure cohérent comme le système SI (mi = 1.mg). Ce constat n'est pas expliqué par la physique classique. La théorie de la relativité générale enjambe la difficulté (si l'on peut dire!), en prenant comme postulat l'identité de la masse inertielle et de la masse gravitationnelle (principe d'équivalence). L'explication du mouvement d'un corps soumis à la gravitation ne requiert pas d'invoquer l'action d'une force particulière : un tel mouvement peut être vu comme l'expression de l'inertie du corps considéré dans un espace-temps courbe. La présence de corps possédant une masse étant à l'origine d'une telle courbure.
Forces de déviation.
Une force de déviation est une force qui produit un changement dans la direction de la vitesse sans changer le module de cette vitesse.

Troisième loi de Newton : principe des actions réciproques.
Le principe des actions réciproques ou principe des interactions (troisième loi de Newton) énonce :

• Si une force F1 est exercée par un système B sur un système A, le système A réagit sur B en exerçant sur lui une force F2 avec une force d'égale intensité mais dans la direction opposée : F1 = -F2.
On notera que les deux forces bien qu'égales en intensité et de sens opposé ne s'annulent pas, car elles agissent sur des des corps de masses différentes.

La troisième loi de Newton traduit une certaine symétrie dans la nature : les forces se produisent toujours par paires, et un corps ne peut pas exercer une force sur un autre sans éprouver lui-même une force. 

Le terme de principe des actions réciproques '(ou de principe des interactions) est bien préférable à celui, également courant, loi de l'action et de la réaction (ou de l'action-réaction), qui semble suggérer la prééminence d'une force sur l'autre, ou, pire, que l'action serait la cause alors que la réaction serait l'effet. En fait, il n'y a a pas action et de réaction, mais simplement interaction. Si l'on voulait envisager la réaction d'un corps à une force, on serait tenté de la chercher plutôt dans l'inertie. Mais ce n'est pas du tout de cela que parle la troisième loi de  de Newton. 
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