La La troisième loi de Newton, aussi appelé loi d'action et de réaction déclare que lorsqu'un objet exerce une force sur un autre, ce dernier exerce également sur le premier une force de même ampleur et direction et direction opposée.
Isaac Newton a fait connaître ses trois lois en 1686 dans son livre Philosophiae Naturalis Principia Mathematica o Principes mathématiques de la philosophie naturelle.
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La formulation mathématique de la troisième loi de Newton est très simple:
F12 = -Fvingt-et-un
L'une des forces s'appelle action et l'autre est le réaction. Cependant, il faut souligner l'importance de ce détail: les deux agissent sur des objets différents. Ils le font également simultanément, bien que cette terminologie suggère à tort que l'action se produit avant et la réaction après..
Les forces étant des vecteurs, elles sont indiquées en gras. Cette équation indique que nous avons deux objets: l'objet 1 et l'objet 2. La force F12 est celle exercée par l'objet 1 sur l'objet 2. La force Fvingt-et-un est exercé par l'objet 2 sur l'objet 1. Et le signe (-) indique qu'ils sont opposés.
En observant attentivement la troisième loi de Newton, une différence importante est observée avec les deux premiers: alors qu'ils invoquent un seul objet, la troisième loi se réfère à deux objets différents.
Et est-ce que si vous réfléchissez bien, les interactions nécessitent des paires d'objets.
Pour cette raison, les forces d'action et de réaction ne s'annulent pas ou ne s'équilibrent pas, même si elles ont la même ampleur et la même direction, mais la direction opposée: elles sont appliquées à des corps différents..
Voici une application très quotidienne d'une interaction liée à la troisième loi de Newton: une balle tombant verticalement et la Terre. La balle tombe au sol parce que la Terre exerce une force d'attraction, connue sous le nom de gravité. Cette force fait tomber la balle avec une accélération constante de 9,8 m / sdeux.
Cependant, presque personne ne pense au fait que le ballon exerce également une force d'attraction sur la Terre. Bien entendu la terre reste inchangée, car sa masse est bien supérieure à celle de la balle et subit donc une accélération négligeable.
Un autre point notable à propos de la troisième loi de Newton est que le contact entre les deux objets en interaction n'est pas nécessaire. Il ressort de l'exemple que nous venons de citer: la balle n'a pas encore pris contact avec la Terre, mais elle exerce néanmoins son attraction. Et la balle sur Terre aussi.
Une force telle que la gravité, qui agit indistinctement qu'il y ait contact entre les objets ou non, est appelée «force d'action à distance». D'autre part, des forces telles que le frottement et la normale, nécessitent que les objets en interaction soient en contact, c'est pourquoi ils sont appelés "forces de contact".
En revenant à la paire d'objets boule - Terre, en choisissant les indices P pour la balle et T pour la terre et en appliquant la deuxième loi de Newton à chaque participant de ce système, on obtient:
Frésultant = m.à
La troisième loi stipule que:
mPàP = - mTàT
àP = 9,8 m / sdeux dirigé verticalement vers le bas. Puisque ce mouvement se produit le long de la direction verticale, la notation vectorielle (en gras) peut être supprimée; et en choisissant la direction ascendante comme positive et descendante comme négative, nous avons:
àP = 9,8 m / sdeux
mT ≈ 6 x 10 24 Kg
Quelle que soit la masse de la balle, l'accélération de la Terre est nulle. C'est pourquoi on observe que la balle tombe vers la Terre et non l'inverse..
Les roquettes sont un bon exemple de l'application de la troisième loi de Newton. La fusée représentée sur l'image au début monte grâce à la propulsion de gaz chauds à grande vitesse.
Beaucoup pensent que cela se produit parce que ces gaz «s'appuient» sur l'atmosphère ou sur le sol pour soutenir et propulser la fusée. Ça ne marche pas comme ça.
Tout comme la fusée exerce une force sur les gaz et les expulse vers l'arrière, les gaz exercent une force sur la fusée, qui a le même module, mais dans la direction opposée. Cette force est ce qui donne à la fusée son accélération vers le haut.
Si vous n'avez pas une telle fusée sous la main, il existe d'autres moyens de vérifier que la troisième loi de Newton fonctionne pour assurer la propulsion. Des fusées à eau peuvent être construites, dans lesquelles la poussée nécessaire est fournie par l'eau expulsée au moyen d'un gaz sous pression..
Il est à noter que le démarrage d'une fusée à eau prend du temps et nécessite beaucoup de précautions.
Un moyen plus abordable et plus immédiat de vérifier l'effet de la troisième loi de Newton consiste à enfiler une paire de patins et à se propulser contre un mur..
La plupart du temps, la capacité d'exercer une force est associée à des objets en mouvement, mais la vérité est que les objets immobiles peuvent également exercer des forces. Le patineur est poussé vers l'arrière grâce à la force que la paroi immobile exerce sur lui.
Les surfaces en contact exercent des forces de contact (normales) les unes avec les autres. Lorsqu'un livre repose sur une table horizontale, il y exerce une force verticale dite normale. Le livre exerce sur la table une force verticale de même valeur numérique et de sens inverse.
Les enfants et les adultes peuvent facilement expérimenter la troisième loi de Newton et vérifier que les forces d'action et de réaction ne s'annulent pas et sont capables de fournir des mouvements..
Deux patineurs sur la glace ou sur une surface très lisse peuvent se propulser et expérimenter des mouvements en sens inverse, qu'ils aient la même masse ou non, grâce à la loi de l'action et de la réaction.
Considérez deux patineurs avec des masses assez différentes. Ils sont au milieu d'une patinoire avec un frottement négligeable et sont initialement au repos. À un moment donné, ils se poussent en appliquant une force constante avec la paume de leurs mains. Comment vont-ils tous les deux bouger?
Il est important de noter que puisqu'il s'agit d'une surface sans frottement, les seules forces déséquilibrées sont les forces que les patineurs s'appliquent les uns aux autres. Bien que le poids et la normale agissent sur les deux, ces forces s'équilibrent, sinon les patineurs accéléreraient dans une direction verticale.
La troisième loi de Newton stipule que:
F12 = -Fvingt-et-un
C'est-à-dire que la force exercée par le patineur 1 sur 2 est égale en amplitude à celle exercée par 2 sur 1, avec la même direction et la direction opposée. Notez que ces forces sont appliquées à différents objets, de la même manière que les forces ont été appliquées à la balle et à la Terre dans l'exemple conceptuel précédent..
m1 à1 = -mdeux àdeux
Puisque les forces sont opposées, les accélérations qu'elles provoquent seront également opposées, mais leurs amplitudes seront différentes, puisque chaque patineur a une masse différente. Regardons l'accélération acquise par le premier patineur:
Le mouvement qui se produit ensuite est la séparation des deux patineurs dans des directions opposées. En principe, les patineurs étaient au repos au milieu de la piste. Chacun exerce une force sur l'autre qui fournit une accélération tant que les mains sont en contact et que la poussée dure.
Après cela, les patineurs s'éloignent les uns des autres avec un mouvement rectiligne uniforme, car les forces déséquilibrées n'agissent plus. La vitesse de chaque patineur sera différente si leurs masses sont trop.
Pour résoudre les problèmes dans lesquels les lois de Newton doivent être appliquées, il est nécessaire de dessiner soigneusement les forces agissant sur l'objet. Ce dessin est appelé «diagramme de corps libre» ou «diagramme de corps isolé». Les forces exercées par le corps sur d'autres objets ne doivent pas être représentées dans ce diagramme..
S'il y a plus d'un objet impliqué dans le problème, il est nécessaire de dessiner un diagramme de corps libre pour chacun des objets, en se rappelant que les paires action-réaction agissent sur des corps différents..
1- Les patineurs de la section précédente ont des masses respectives m1 = 50 kg et mdeux = 80 kg. Ils se poussent avec une force constante de 200 N. La poussée dure 0,40 seconde. Trouve:
a) L'accélération que chaque patineur acquiert grâce à la poussée.
b) La vitesse de chacun quand ils se séparent
a) Prenez comme direction horizontale positive celle qui va de gauche à droite. En appliquant la deuxième loi de Newton avec les valeurs fournies par l'instruction, nous avons:
Fvingt-et-un = m1à1
D'où:
Pour le deuxième patineur:
b) Pour calculer la vitesse qu'ils transportent juste lors de la séparation, les équations cinématiques du mouvement rectiligne uniformément accéléré sont utilisées:
La vitesse initiale est de 0, car ils étaient au repos au milieu de la piste:
vF = à
vf1 = a1t = -4 m / sdeux . 0,40 s = -1,6 m / s
vf2 = adeuxt = +2,5 m / sdeux . 0,40 s = +1 m / s
Comme prévu, la personne 1, étant plus légère, acquiert une plus grande accélération et donc une plus grande vitesse. Notez maintenant ce qui suit à propos du produit de la masse et de la vitesse de chaque patineur:
m1 v1 = 50 kg. (-1,6 m / s) = - 80 kg.m / s
mdeux vdeux = 80 kg. 1 m / s = +80 kg.m / s
La somme des deux produits est égale à 0. Le produit de la masse et de la vitesse est appelé impulsion P. C'est un vecteur avec la même direction et le même sens de la vitesse. Lorsque les patineurs étaient au repos et que leurs mains étaient en contact, on pouvait supposer qu'ils formaient le même objet dont l'élan était:
Pou alors = (m1 +mdeux) vou alors = 0
Après la fin de la poussée, la quantité de mouvement du système de patinage reste 0. Par conséquent, la quantité de mouvement est conservée.
La marche est l'une des actions les plus quotidiennes que l'on puisse réaliser. Si elle est observée attentivement, l'action de la marche nécessite de pousser le pied contre le sol, de sorte qu'il renvoie une force égale et opposée sur le pied du marcheur..
C'est précisément cette force qui permet aux gens de marcher. En vol, les oiseaux exercent une force sur l'air et l'air pousse les ailes pour que l'oiseau se propulse vers l'avant.
Dans une voiture, les roues exercent des forces sur le trottoir. Grâce à la réaction de la chaussée, il exerce des forces sur les pneus qui propulsent la voiture vers l'avant.
Dans le sport, les forces d'action et de réaction sont nombreuses et ont une participation très active.
Par exemple, voyons l'athlète avec son pied posé sur un bloc de démarrage. Le bloc fournit une force normale en réaction à la poussée que l'athlète exerce dessus. Le résultat de cette normale et le poids du coureur, se traduisent par une force horizontale qui permet à l'athlète de se propulser vers l'avant..
Un autre exemple où la troisième loi de Newton est présente est celui des pompiers tenant des tuyaux d'incendie. L'extrémité de ces gros tuyaux a une poignée sur la buse que le pompier doit tenir lorsque le jet d'eau sort, pour éviter le recul qui se produit lorsque l'eau se précipite.
Pour la même raison, il est pratique d'attacher les bateaux au quai avant de les quitter, car en se poussant pour atteindre le quai, une force est fournie au bateau qui l'éloigne..
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