PREMIÈRE LOI DE NEWTON: FORMULES, EXPÉRIENCES ET EXERCICES - PHYSIQUE - 2025

La première loi de Newton, également connue sous le nom de loi d'inertie, a été proposée pour la première fois par Isaac Newton, physicien, mathématicien, philosophe, théologien, inventeur anglais et alchimiste. Cette loi stipule ce qui suit: "Si un objet n'est soumis à aucune force, ou si les forces agissant sur lui s'annulent, alors il continuera à se déplacer à vitesse constante en ligne droite."

Dans cette déclaration, le mot-clé est continuera. Si les prémisses de la loi sont remplies, l'objet continuera son mouvement comme il l'avait fait. À moins qu'une force déséquilibrée n'apparaisse et change l'état du mouvement.

Explication de la première loi de Newton. Source: self made.

Cela signifie que si l'objet est au repos, il continuera de se reposer, sauf si une force le fait sortir de cet état. Cela signifie également que si un objet se déplace à une vitesse fixe dans une direction rectiligne, il continuera à se déplacer de cette façon. Il ne changera que lorsqu'un agent externe exerce une force sur lui et change sa vitesse.

Contexte de la loi

Isaac Newton est né à Woolsthorpe Manor (Royaume-Uni) le 4 janvier 1643 et décédé à Londres en 1727.

La date exacte à laquelle Sir Isaac Newton a découvert ses trois lois de la dynamique, y compris la première loi, n'est pas connue avec certitude. Mais on sait que c'était bien avant la publication du célèbre livre Mathematical Principles of Natural Philosophy, le 5 juillet 1687.

Le dictionnaire de l'Académie royale espagnole définit le mot inertie comme suit:

"Propriété des corps à maintenir leur état de repos ou de mouvement sinon par l'action d'une force."

Ce terme est également utilisé pour affirmer que toute situation reste inchangée car aucun effort n'a été fait pour y parvenir, donc parfois le mot inertie a une connotation de routine ou de paresse.

La vue pré-newtonienne

Avant Newton, les idées prédominantes étaient celles du grand philosophe grec Aristote, qui affirmait que pour qu'un objet continue de bouger, une force doit agir sur lui. Quand la force cessera, alors le mouvement cessera. Non, mais même aujourd'hui, beaucoup le pensent.

Galileo Galilei, brillant astronome et physicien italien qui a vécu entre 1564 et 1642, a expérimenté et analysé le mouvement des corps.

L'une des observations de Galilée était qu'un corps qui glisse sur une surface lisse et polie avec une certaine impulsion initiale, prend plus de temps à s'arrêter et a plus de déplacement en ligne droite, car le frottement entre le corps et la surface est moindre.

Il est évident que Galilée a manipulé l'idée d'inertie, mais il n'est pas venu pour formuler une déclaration aussi précise que Newton.

Ci-dessous, nous proposons quelques expériences simples, que le lecteur peut réaliser et corroborer les résultats. Les observations seront également analysées selon la vision aristotélicienne du mouvement et la vision newtonienne.

Expériences d'inertie

Expérience 1

Une boîte est propulsée sur le sol puis la force motrice est suspendue. On observe que la boîte parcourt un chemin court jusqu'à ce qu'elle s'arrête.

Interprétons l'expérience précédente et son résultat, dans le cadre des théories avant Newton puis selon la première loi.

Dans la vision aristotélicienne, l'explication était très claire: la boîte s'arrêtait parce que la force qui la déplaçait était suspendue.

Dans la vue newtonienne, la boîte au sol / sol ne peut pas continuer à se déplacer avec la vitesse qu'elle avait au moment où la force était suspendue, car entre le sol et la boîte il y a une force déséquilibrée, ce qui fait diminuer la vitesse jusqu'à ce que le la boîte s'arrête. C'est la force de frottement.

Dans cette expérience, les prémisses de la première loi de Newton ne sont pas remplies, donc la boîte s'est arrêtée.

Expérience 2

Encore une fois c'est la boite au sol / sol. Dans cette opportunité, la force exercée sur la boîte est maintenue, de telle manière qu'elle compense ou équilibre la force de frottement. Cela se produit lorsque nous faisons suivre la boîte à vitesse constante et dans une direction droite.

Cette expérience ne contredit pas la vision aristotélicienne du mouvement: la boîte se déplace à vitesse constante car une force est exercée sur elle.

Cela ne contredit pas non plus l'approche de Newton, car toutes les forces agissant sur la boîte sont équilibrées. Voyons voir:

• Dans le sens horizontal, l'effort exercé sur le caisson est égal et dans le sens opposé à l'effort de frottement entre le caisson et le sol.
• La force nette dans la direction horizontale est donc nulle, c'est pourquoi la boîte maintient sa vitesse et sa direction.

Toujours dans le sens vertical, les forces sont équilibrées, car le poids de la boîte qui est une force pointant verticalement vers le bas est exactement compensée par la force de contact (ou normale) que le sol exerce sur la boîte verticalement vers le haut.

À propos, le poids de la boîte est dû à l'attraction gravitationnelle de la Terre.

Expérience 3

Nous continuons avec la boîte posée sur le sol. Dans la direction verticale, les forces sont équilibrées, c'est-à-dire que la force verticale nette est nulle. Il serait certainement très surprenant que la boîte se déplace vers le haut. Mais dans le sens horizontal, il y a une force de friction.

Maintenant, pour que la prémisse de la première loi de Newton soit remplie, nous devons réduire la friction à son expression minimale. Cela peut être réalisé assez grossièrement si nous recherchons une surface très lisse sur laquelle nous pulvérisons de l'huile de silicone.

Puisque l'huile de silicone réduit le frottement à presque zéro, donc lorsque cette boîte est lancée horizontalement, elle maintiendra sa vitesse et sa direction pendant longtemps.

C'est le même phénomène qui se produit avec un patineur sur une patinoire ou avec la rondelle de hockey sur glace lorsqu'ils sont propulsés et relâchés d'eux-mêmes.

Dans les situations décrites, dans lesquelles le frottement est réduit presque à zéro, la force résultante est pratiquement nulle et l'objet maintient sa vitesse, selon la première loi de Newton.

Dans la vision aristotélicienne, cela ne pouvait pas arriver, car selon cette théorie naïve, le mouvement ne se produit que lorsqu'il y a une force nette sur l'objet en mouvement.

La surface gelée peut être considérée comme un frottement très faible. Source: Pixabay.

Explication de la première loi de Newton

Inertie et masse

La masse est une quantité physique qui indique la quantité de matière qu'un corps ou un objet contient.

La masse est donc une propriété intrinsèque de la matière. Mais la matière est composée d'atomes qui ont une masse. La masse de l'atome est concentrée dans le noyau. Ce sont les protons et les neutrons du noyau qui définissent pratiquement la masse de l'atome et de la matière.

La masse est généralement mesurée en kilogrammes (kg), c'est l'unité de base du Système international d'unités (SI).

Le prototype ou référence de kg est un cylindre en platine et iridium qui est conservé à l'Office international des poids et mesures de Sèvres en France, bien qu'en 2018 il était lié à la constante de Planck et la nouvelle définition entre en vigueur à partir du 20 mai 2019.

Eh bien, il arrive que l'inertie et la masse soient liées. Plus la masse est grande, plus l'inertie d'un objet est grande. Il est beaucoup plus difficile ou coûteux en énergie de changer l'état de mouvement d'un objet plus massif que d'un objet moins massif.

Exemple

Par exemple, il faut beaucoup plus de force et beaucoup plus de travail pour soulever une caisse d'une tonne (1000 kg) du repos qu'une caisse d'un kilogramme (1 kg). C'est pourquoi on dit souvent que le premier a plus d'inertie que le second.

En raison de la relation entre l'inertie et la masse, Newton s'est rendu compte que la vitesse seule n'est pas représentative de l'état du mouvement. C'est pourquoi il a défini une quantité appelée impulsion ou impulsion qui est notée par la lettre p et est le produit de la masse m et de la vitesse v:

p = m v

Les caractères gras entre p et v indiquent qu'il s'agit de quantités physiques vectorielles, c'est-à-dire que ce sont des quantités avec une grandeur, une direction et un sens.

Par contre, la masse m est une grandeur scalaire, à laquelle est attribué un nombre qui peut être supérieur ou égal à zéro, mais jamais négatif. Jusqu'à présent, aucun objet de masse négative n'a été trouvé dans l'univers connu.

Newton a poussé son imagination et son abstraction à l'extrême, définissant la soi-disant particule libre. Une particule est un point matériel. Autrement dit, c'est comme un point mathématique mais avec une masse:

Une particule libre est cette particule qui est si isolée, si loin d'un autre objet dans l'univers que rien ne peut exercer d'interaction ou de force sur elle.

Plus tard, Newton a défini les systèmes de référence inertiels, qui seront ceux dans lesquels ses trois lois du mouvement s'appliquent. Voici les définitions selon ces concepts:

Système de référence inertiel

Tout système de coordonnées attaché à une particule libre, ou qui se déplace à vitesse constante par rapport à la particule libre, sera un système de référence inertiel.

Première loi de Newton (loi d'inertie)

Si une particule est libre, alors elle a un moment constant par rapport à un référentiel inertiel.

La première loi et l'élan de Newton. Source: self made.

Exercices résolus

Exercice 1

Une rondelle de hockey de 160 grammes va sur la patinoire à 3 km / h. Trouvez son élan.

Solution

La masse du disque en kilogrammes est: m = 0,160 kg.

Vitesse en mètres sur seconde: v = (3 / 3,6) m / s = 0,8333 m / s

La quantité de mouvement ou impulsion p est calculée comme suit: p = m * v = 0,1333 kg * m / s,

Exercice 2

Le frottement dans le disque antérieur est considéré comme nul, donc l'élan est préservé tant que rien ne modifie la trajectoire rectiligne du disque. Cependant, on sait que deux forces agissent sur le disque: le poids du disque et le contact ou force normale que le plancher exerce sur lui.

Calculez la valeur de la force normale en newtons et sa direction.

Solution

Puisque l'élan est conservé, la force résultante sur la rondelle de hockey doit être nulle. Le poids pointe verticalement vers le bas et est valide: P = m * g = 0,16 kg * 9,81 m / s²

La force normale doit nécessairement contrecarrer le poids, elle doit donc pointer verticalement vers le haut et sa magnitude sera de 1,57 N.

Articles d'intérêt

Exemples de la loi de Newton dans la vraie vie.

Références

1. Alonso M., Finn E. Physique volume I: Mécanique. 1970. Fondo Educativo Interamericano SA
2. Hewitt, P. Science physique conceptuelle. Cinquième édition. Pearson. 67-74.
3. Jeune, Hugh. Physique universitaire et physique moderne. 14e éd. Pearson. 105-107.