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"Force Centrifuge"

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Le concept de "force centrifuge"
est une fiction, voire une illusion plus qu'une réalité physique

Les seules forces (dites aussi "interactions") actuellement (2017)
reconnues par la communauté scientifique sont :

  • L'attraction gravitationnelle (Lois de Newton)

  • Les interactions électromagnétiques:
    • Force Électrostatique (entre corps électrisés)
    • Force Magnétique (entre courants électriques)

  • Deux autres forces dites l'une forte, l'autre faible assurent la cohésion des particules au sein des atomes.

La "force centrifuge" n'y figure pas !

Parler de "force centrifuge" est, tantôt, une interprétation erronnée de la perception humaine,
tantôt une force fictive qui peut être utilisée pour simplifier la résolution de certains problèmes.
(A l'instar des méridiens ou parallèles bien utiles pour se repèrer mais inexistants sur Terre).

Ci-dessous une justification de ce point de vue sur la question.

Un exemple

Une automobile roule en ligne droite à une vitesse constante et s'apprête à décrire un virage à gauche,
sans ralentir ni accélérer
On pose alors sur le capot, une balle bien sphérique, non assujettie ni collée au capot.

On suppose que la vitesse du véhicule est assez faible
pour que le vent relatif du au mouvement ne puisse la précipiter sur le pare-brise


Balle en rouge sur la figure

Qu'observe-t-on de l'intérieur de l'auto dès l'amorçage du virage ?

  1. La balle roule vers l'extérieur du virage (ici vers la droite) et quitte le capot pour tomber sur l’accotement.

  2. Si vous suivez son mouvement sur le bas-côté : elle y roule en ligne droite
    parallèlement à la portion de route droite que l'on vient de quitter.
    (Si aucun obstacle ne s'y oppose bien sûr).

Une opinion hélàs très répandue mais très compréhensible
explique ce déplacement vers l'extérieur du virage
par l'existence supposée d'une force dite "centrifuge" c.à.d. "fuyant le centre du virage".

C'est bien ce qu'on croit observer en effet !

Or, la somme des forces qui s'appliquent sur la balle est nulle !
Tout se passe comme si elle ne subissait aucune force.

Pour quelles raisons :
  1. Balle sphérique et capot lisse réduisent à pratiquement rien les forces de frottement que le capot pourrait exercer sur elle.
    (elle ne "colle pas" au capot - elle est libre de bouger horizontalement).


  2. Verticalement : la pesanteur (verticale descendante) subie par la balle (son poids)
    est compensée par la force de réaction du capot (de même intensité que le poids de la balle, mais dirigée verticalement vers le haut).
    Ceci d'après un principe énoncé par Newton (égalité des intensités de l'action et de la réaction) dit encore "Principe des actions réciproques"

DONC
La résultante totale des forces agissant sur la balle
lors de son parcours sur le capot, puis sur l'accotement supposé lisse
est nulle !

Donc, tout se passe comme si la balle n'était soumise à aucune force !

Conclusion :
Dire qu'elle serait soumise à "la force centrifuge"
n'est donc pas fondé !

Mais, tout de même, qu'est-ce qui suggère aux passagers
que la balle serait soumise à une "force centrifuge" ?

Il faut ici invoquer successivement :

  1. le Principe d'inertie.
    Énoncé en par Isaac Newton en 1726
    mais qui dérive également des observations de Galilée (1564-1642)
    Ci-dessous :

  2. le Sens commun de tout un chacun tiré de l'expérience journalière ;
    à savoir que lorsque nous voyons un corps se déplacer soudainement nous en concluons qu'une force a dû agir sur lui dans la direction et le sens du mouvement.
    Ce qui justifierait la qualification de "force centrifuge".
    Ci-dessous :
2° Le principe d'inertie
Principe d'Inertie
Tout corps ne subissant aucune force
ou dont la résultante de toutes les forces qui s'y appliquent est nulle,
reste immobile ou poursuit un mouvement rectiligne à vitesse constante.
Il en découle logiquement que si on observe un corps, changer de vitesse (démarrer, s'arrêter, accélérer, ralentir, changer de trajectoire...)
c'est qu'une force agit sur lui.
Attention ! cette définition est incomplète ...

Qu'en est-il de ce principe dans notre expérience ?

  • Observée de l'intérieur du véhicule, la bille se déplace soudainement vers l'extérieur du virage, sans qu'aucune force n'y soit appliquée, comme nous venons de le voir ci-dessus.
    Ce qui semble contredire l'énoncé du principe d'inertie !

  • Observée de l'extérieur du véhicule (observateur immobile sur la route)
    la balla continue une trajectoire rectiligne à vitesse constante,
    (voir dessin ci-dessus) avant, ou après le virage lorsqu'elle se sépare du véhicule.
    Le principe d'inertie semble bien se vérifier.

Explication :
L'exemple de la voiture en virage nous montre
que la validité du principe d'inertie dépend du repère
depuis lequel on observe et mesure les positions des corps en mouvement.

Un tel repère se nomme également "référentiel".
En mathématiques c'est un système de coordonnées.

  • Principe vérifié si on repère la bille d'un point immobile sur la route.

  • Principe non vérifié si on la repère en prenant comme référentiel l'intérieur de la voiture en marche.

D'où le complément indispensable au principe d'inertie :

Référentiel galiléen ; dit aussi : Référentiel inertiel -

On nomme référentiel, un système de coordonnées par lequel on repère la position de tout point dans l'espace.

Les référentiels pour lesquels le principe d'inertie se vérifie
pour les mouvements des corps observés
ne nomment référentiels galiléens
on dit aussi référentiels inertiels.


Quelques exemples

  • Dans notre exemple, un référentiel lié à la route est galiléen.

  • Un référentiel lié à la "voiture en cours de virage" n'est pas galiléen
    (référentiel non inertiel).

  • Dans le cas où la voiture se déplacerait en ligne droite à vitesse constante (hors virage donc) tout référentiel lié à la voiture serait galiléen (inertiel).

    En effet, dans ce cas, on constate que la balle ne se déplace pas, à moins que vous ne l'éjectiez du véhicule en exerçant sur elle une force pour la chasser.
    On ne tient pas compte ici du vent qui peut pousser la balle.
    Imaginez tout objet posé dans le véhicule en un endroit plat
    sans être assujetti : tant que la voiture roule en ligne droite à vitesse constante, il ne glisse pas. Dans un virage il tend à se déplacer du côté externe au virage.

  • Dans un ascenseur en chûte libre, les malheureux passagers n'ont pas l'impression de subir la moindre force (état d'apesanteur) ni de se déplacer pas par rapport à la cabine.
    Or, ils sont soumis à la pesanteur.
    La canine est un référentiel non galiléen (non inertiel).

    Pour des observateurs impuissants restés au sol (repère quasi-galiléen) , les passagers sont soumis à la force gravité Terrestre et ils tombent à vitesse croissante vers le centre de la Terre. Ce qui est conforme au principe d'inertie.

Objection : la Terre tourne : ce n'est donc pas un référentiel galiléen.
Bien vu !
En toute rigueur non. Mais les effets de la rotation de la Terre (qui existent)
sont minimes en regard des expériences habituelles.
On la qualifie de "référentiel quasi-galiléen" ou "quasi inertiel".


2° Ce qui fait dire aux passagers
que la balle serait soumise à une "force centrifuge" ?

Habituellement, nous repérons les positions des objets par rapport à la Terre,
supposée immobile, ou dont les mouvements de rotation sont négligeables.
(sauf quand on est malade dans un véhicule)

Et qu'on sait par expérience que tout déplacement d'un objet ou l'infléchissement de sa trajectoire
est toujours provoqué par une force, quelle que soit sa nature.

De fait nous avons tous intègré tout naturellement le principe d'inertie.

L'observateur dans l'auto voit la balle partir à droite !
Ses repères sont ceux de l'auto immobile par rapport à lui.
Sa première réaction est d'imaginer qu'une force a soudainement tiré la balle vers l'extérieur du virage.
Fuyant le centre du virage donc : centrifuge.

L'erreur est que le passager prend la voiture pour un référentiel galiléen !

Alors qu'en virage, en accélération, ou lors d'un freinage,
la voiture n'est plus un référentiel galiléen !
(Référentiel non inertiel).

En réalité, la balle, nullement contrainte, continue naturellement sa trajectoire rectiligne nitiale
sur le bas côté de la route
(supposé sans obstacle).

Celle-là même qu'aurait suivie le passager observateur si le conducteur n'avait pas viré,
ou s'il n'était pas retenu à son siège.
Chacun sait que rouler dans un véhicule sans portières est dangereux si l'on n'est pas attaché.


C'est un sentiment égocentré sur ses repères habituels qui amène le pasager à considérer comme
"anormale" la soudaine fuite à droite de la balle.
Car ordinairement, un tel phénomène ne s'explique que par l'action d'une force.
Une force qui l'éloignerait du centre du virage : une force centrifuge !

En fait, dans cet exemple, ce n'est pas la balle qui s'écarte soudain des passagers,
mais les passagers qui s'écartent soudain de la balle !

La balle roulant sur le capot ne subit justement aucune force !.
Démontré ici :

Alors que la voiture et ses passagers, pour s'inscrire dans le virage,
doivent obligatoirement subir une force qui les y contraint : une force centripète.

Impression et réflexion s'opposent souvent.
Humain, trop humain ?

3° Force centripète

Mais de quelle manière s'exercent ces forces centripètes ?

  • Pour le passager de droite dans notre exemple, c'est la portière droite (fermée) qui le pousse sur son flanc droit vers l'intérieur du virage. (Mieux vaut fermer la portière )

  • Pour ceux qui ne sont pas en contact de la paroi droite, ce sont ses voisins de droite sur lesquels nous avons l'impression de nous appuyer, mais qui en réalité nous transmettent une poussée vers l'intérieur du virage.

  • Dans un virage serré, un aviateur sent réellement sa joue "fortement tirée" (chique) par une prétendue "force dite centrifuge" vers l'extérieur du virage !

    En réalité, la joue du pilote ne peut s'inscrire dans le virage qui si elle y est tirée par les os de la tête (tirée elle-même par le squelette, le siège, la porte, ...) vers l'intérieur du virage.
    L'élasticité des tissus de la joue traduit la déformation produite par la traction (centripète) des os vers l'intérieur du virage sur une joue qui naturellement continuerait en ligne droite en sens inverse : c.à.d. vers l'extérieur du véhicule !

  • Pour la voiture tout entière, c'est la route qui exerce sur les pneus la force de réaction centripète nécessaire à l'inscription dans le virage.
    En cas de verglas, cette force ne pouvant s'exercer, la voiture fait un "tout droit".

Autre exemple : avion en virage


Pour virer, le pilote doit faire apparaître une force vers l'intérieur du virage :donc centripète.
(ici à sa gauche, ou à notre droite face au dessin)

Il ne peut le faire qu'en inclinant l'avion.
L'inclinaison (autour de son axe de roulis) s'obtient en manoeuvrant les volets de gauchissement (en jaune)
actions marquées par des flèches bleues sur les volets.

Plus le virage à prendre est sérré, plus l'inclinaison doit être forte
pour augmenter la force centripète.


Moraline

Cet exemple montre à quel point notre perception immédiate peut être
en contradiction avec les lois de la nature.

Il en va de même dans l'observation de la course du Soleil,
lequel semble manifestement tourner autour de notre planète.

Alors qu'aux 16° - 18° siècles, Galilée, Copernic, Newton, ...
montrèrent que ce n'était qu'une perception très particulière d'un phénomène plus englobant : la gravitation,
que Newton analysa comme le résultat de trois principes naturels de la dynamique

Nous devons lutter contre les conclusions hâtives uniquement fondées sur la perception immédiate.

Et ... çà ne vaut pas qu'en Physique !


Objections


dans les traités de physique on parle bel et bien de "force centrifuge"
comme une force vectoriellement opposée à la force centripète.

C'est un langage fictif qui a le mérite d'être parlant à tout un chacun,
mais qui, à mon avis, entretient une erreur fondamentale d'interprétation de la physique.

Cependant, en physique analytique, on introduit rigoureusement des "forces fictives"
pour simplifier certaines résolutions de problèmes.

En particulier, dans le cas qui nous occupe,
si nous considérons comme immobile le véhicule en virage,
ce qui n'est pas,
l'introduction de la force centrifuge (définie comme l'opposé vectoriel de la force centripète)
permet l'application aux systèmes en rotation, des théorèmes déjà connus pour les systèmes en équilibre.

La "force centrifuge" est une fiction mathématique de l'ordre des "forces fictives"
introduites notamment par d'Alembert (Mathématicien, Ecrivain, Philosope - parisien 1717 - 1783 )
comme outil mathématique.


La force centrifuge est bien réelle puisqu'elle fait éclater des pièces tournant trop vite !

En fait, le calcul montre que la force centripète nécessaire à la rotation d'une masse m
est proportionnelle au carré de la vitesse de rotation et au rayon du cercle de rotation.

En accélérant, il arrive un moment où les structures matérielles (les rayons d'une roue p.ex)
appliquant aux parties externes (grand rayon)
les forces centripètes requises pour les maintenir en trajectroie circulaire, cèdent.

Et les paries périphériques volent à grande vitesse (uniforme) en éclats à trajectoire rectiligne.


La force centrifuge est fictive, certes,
mais que dire de toutes les forces considérées par la physique ?

Ce sont des concepts abstraits qui décrivent mathématiquement les diverses interactions connues par la physique.
On en connaît les causes et les effets, mais en elles mêmes elles ne sont qu'une fiction mathématique
nous permettant d'effectuer des calculs prévisionnels.

Tel est aussi le cas la masse définie dans la relation d'attraction universelle de Newton.



La grandeur "masse" apparaissant dans cette formule est dite "masse pesante"
ou "masse grave"


Le principe fondamental de la dynamique énoncé par Newton

Voir étude ici :

Que relie la force appliquée à un corps de masse m
et l'accélération prise par ce corps sour l'effet de cette force
(l'accélération mesure le changement de vitesse ou/et de trajectoire subies par le corps)

Le concept de masse dite ici "masse inertielle" ou "masse inerte" est différent du concept précédent
de masse grave.
Il se trouve que de très nombreuses mesures n'ont jamais réussi à distinguer la différence entre ces deux masses.

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