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LES FORCES
Nous avons vu dans le chapitre précédent avec les fermions la composition de la matière. Intéressont nous maintenant à ce qui à la fois donne son mouvement à notre monde et l'empêche de se disloquer : les forces.
La gravitation
Elle nous est incontestablement la plus familière des quatres forces car nous y sommes constamment soumis. C'est grâce à elle que nous restons les pieds sur terre, c'est à cause d'elle que Newton reçu une pomme sur le tête.
Mais c'est également la gravitation qui permet à la lune de tourner autour de la Terre et à la Terre de tourner autour du soleil.
Si pour Einstein la gravitation est une déformation de l'espace temps, afin de rester compréhensible je ne la présenterais ici que comme l'attirance mutuelle de deux corps massifs.
Grâce à la gravitation, deux corps ayant une masse, par exemple vous et la Terre s'attirent mutuellement. Ainsi non seulement vous êtes attiré par la Terre, mais vous attiré également la Terre vers vous avec une force équivalente. Seulement, votre masse étant négligeable par rapport à celle de la Terre, c'est vous qui vous rapprochez de la Terre et non l'inverse.
Pour ceux d'entre vous qui douteraient que la même force soit à l'origine de la chute des corps et de la rotation de le Lune autour de la Terre, regardez l'image suivante :
De la chute à la mise en orbite : effets de la gravitation.
Sur l'image ci-dessus sont représentées les trajectoires d'un objet lancé depuis le haut d'une tour situé sur Terre. A, B, C et D correspondent aux trajectoires de l'objet lancé avec des forces différentes :
- lors des lancés A et B l'objet retombe au sol suivant des trajectoires familières, toutefois le lancé B étant plus puissant que le A l'objet retombe plus loin de la tour;
- le lancé C est intéressant, car du fait de la courbure de la Terre l'objet ne retombe jamais sur le sol (si l'on ignore les frottements de l'air), il tombe sans fin. On dit alors que l'objet est mis en orbite, il devient un satellite de la Terre;
- lors du lancé le plus puissant D l'objet ne retombera également jamais sur le sol mais s'éloignera indéfiniment de la Terre (du moins s'il ne croise aucun autre objet entre temps).
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| Isaac Newton (1643 - 1727) |
C'est Isaac Newton
(04 janvier 1643 - 31 mars 1727) qui le premier au 17ème siècle eu l'idée d'unir la force responsable de la chute des corps
à celle responsable de la rotation des astres.
Il s'agit historiquement de la première unification de forces. Le prémice de la quête actuelle de nombre de de pysiciens : l'unification de toutes les forces; Mais c'est un sujet sur lequel nous reviendrons plus tard.
Force électromagnétique
LES FORCES La gravitation
Force électromagnétique
- LA FORCE ÉLECTRIQUE -- LA FORCE MAGNÉTIQUE -
- L'UNIFICATION -
L'interaction forte - LA CHROMODYNAMIQUE QUANTIQUE -
L'interaction faible
- LA FORCE ÉLECTRIQUE -
Toute charge électrique est entouré d'un champ électrique. Comme un champ de chaleur autour d'un feu, le champ électrique est invisible et son intensité décroît en s'éloignant de la source.
Si on place une particule chargée dans le champ électrique d'une charge opposée, celle-ci sera attiré par la source du champ électrique, et l'attirera également avec une force équivalente.
À l'inverse deux particules de charges du même signe se repousseront.
Action de la force électrique sur des particules chargées
- LA FORCE MAGNÉTIQUE -
Une charge électrique en mouvement induit quant à elle un champ magnétique, par conséquent, autour des fils parcourant votre maison et dans lesquels circulent un courant électrique (donc des charges en mouvement), il existe un champ magnétique.
Le champ magnétique trouve de nombreuses applications, il est notamment responsable de l'irrépressible attirance qu'ont les aimants pour votre réfrigérateur, ou encore de l'intangible manie qu'a l'aiguille de votre boussole de pointer vers le nord.
Le champ magnétique autour d'un fil parcouru d'un courant électrique
Le champ magnétique n'a aucune incidence sur les charges immobiles, il influence par contre la trajectoire des charges en mouvement.
Dans le cas du champ magnétique on ne parle plus de charges positives et négatives, mais de pôles nord et sud. Un aimant a donc un pôle nord et un pôle sud, deux aimants mis côte à côte se repoussent si leurs même pôles se trouvent face à face et s'attirent dans le cas inverse.
Actions des pôles magnétiques les uns sur les autres
Les aimants
CLIQUEZToutes ces actions à distance sont donc les résultats de l'action des champs, électriques dans le cas des particules chargées, et magnétiques dans le cas des aimants.
- L'UNIFICATION -
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| James C. Maxwell (1831 - 1879) |
Il n'est pas évident au premier abord de trouver un lien unissant ces deux phénomènes; et pourtant au 19ème siècle, James Clark Maxwell, sans doute un des physicien dont les découvertes ont le plus marqué l'histoire, réussit à unifier les phénomènes magnétiques et électriques en une seule et unique théorie : l'électromagnétisme.
La théorie de Jame Clark Maxwell s'appuie sur une combinaison du champ électrique et magnétique : le champ électromagnétique.
Il découvrit notamment que ce champ électromagnétique pouvaient se propager sous forme d'onde; c'est à dire sous forme d'un "faisceau" de champ électromangétique dont l'intensité varie dans l'espace et dans le temps, il s'agit des ondes électromagnétiques.
Les ondes électromagnétiques : combinaison d'un champ électrique et d'un champ magnétique
On ne compte plus le nombre d'applications de ces ondes, elles sont le support de l'immense majorité des transmissions sans fil. Ainsi toutes vos télécommandes, votre téléphone portable, votre radio, votre télévision ou encore votre GPS fonctionnent en recoivent ou émettent des ondes électromagnétiques.
Mais ce n'est pas tout, Maxwell eu en son temps l'idée de mesurer la vitesse de propagation de ces ondes. Il découvrit alors que la vitesse de propagation des ondes électromagnétiques n'était autre que la vitesse de la lumière. Il franchit alors un nouveau pas et démontra que la lumière elle-même n'était autre qu'une onde électromagnétique.
Vous vous demandez sans doute quel rapport tous cela peut bien avoir avec les particules, nous y reviendrons plus tard, mais souvenez-vous de la dualité onde-particule évoquée dans une précédent chapitre.
L'interaction forte
LES FORCES La gravitation Force électromagnétique - LA FORCE ÉLECTRIQUE -
- LA FORCE MAGNÉTIQUE -
- L'UNIFICATION -
L'interaction forte
- LA CHROMODYNAMIQUE QUANTIQUE -L'interaction faible
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| L'interaction forte lie deux quarks |
S'il est relativement aisé d'observer les forces de gravitation et électromagnétique dans le monde nous entourant, il n'en est pas de même pour l'interaction forte. Cette force n'en est pas moins essentielle à la cohérence de notre monde.
Pour rappel nous avons vu qu'un proton était composé de trois quarks : un quark down chargé négativement et deux quarks up chargés positivement. Nous avons également vu dans le chapitre précédent que deux charges positives se repoussaient mutuellement. Comment se fait-il alors que les protons ne se disloquent pas ? que les deux quarks up le composant restent soudés alors qu'ils devraient se repousser ? C'est ici qu'intervient l'interaction forte.
L'interaction forte lie les quarks entre eux, et n'agit d'ailleurs que sur les quarks. Elle également responsable de la cohésion des noyaux atomiques, en empêchant les protons de se repousser entre eux à cause de la force électrique.
- LA CHROMODYNAMIQUE QUANTIQUE -
L'interaction faible
L'interaction faible ne nous est pas plus accessible que l'interaction forte, elle joue toutefois elle aussi un rôle majeur. Elle est notamment à l'origine de la désintégration β des neutrons.
L'interaction faible agit sur tous les types de quarks et de leptons.
