Fòrça

Una fòrça es un concèpte fisic que permet de tradurre quantitativament leis interaccions entre objèctes e que permet d'explicar sei deformacions ò lei modificacions de sei movements.

Istòria de la nocion

La fisica aristoteliciana

Escultura d'Aristotèl.

Relativament anciana, la nocion de « fòrça » èra ja coneguda dei Grècs. Per exemple, dins la fisica d'Aristòtel (384-322 avC), se destriava l'estudi dau movement deis objèctes naturaus d'aqueu deis objèctes desplaçats per de maquinas ò per l'Òme. Dins lo premier cas, lo movement èra entraïnat per de causas naturalas coma la casuda d'una pèira vèrs lo sòu. Dins lo segond, èra liat a de fòrças que se manifestavan durant lo contacte entre la maquina e l'objècte.

Aquela concepcion permetèt de provesir lei basas de la fisica occidentala e araba fins a la fin de l'Edat Mejana. Pasmens, aviá plusors limits qu'empachavan d'explicar mai d'un fenomèn. Per exemple, èra pas capable d'explicar la trajectòria d'una sageta tirada per un arc car podiá pas explicar la persisténcia dau movement dau projectil après la fin dau contacte entre l'arc e la sageta. D'efèct, segon la fisica d'Aristòtel, la sageta auriá degut tombar dirèctament vèrs lo sòu e non contuniar son movement vèrs sa buta car la fòrça transmesa a l'arc deviá disparéisser ambé la fin dau tir.

La contestacion dau modèl aristotelician

De problemas dau tipe dau movement d'una sageta foguèron a l'origina de la contestacion de la fisica aristoteliciana que comencèt a partir dau sègle XIV. D'efèct, per leis explixar, lei fisicians dau periòde foguèron ben obligats de reconóisser l'existéncia d'una persisténcia dau movement. Iniciat per la redescubèrta de tractats grècs sus lo foncionament dei maquinas (Arquimèdes, Heron d'Alexàndria...), donèt premier naissença a una fisica dei fòrças estaticas. Aquò permetèt d'estudiar lo desplaçament dei braç d'una balança, d'una ròda ò d'una carrèla. Aquelei trabalhs, especialament aquelei de Simon Stevin (1548-1620), permetèron ansin d'esboçar un liame entre fòrça e movement e de definir lei nocions d'equilibris estables e instables.

Au sègle XVII, lei trabalhs de Galilèu (1564-1642) establiguèron la persisténcia dau movement unifòrme. Lo Francés René Descartes (1596-1650) prepausèt durant aqueu periòde la teoria dau « mecanisme », inspirada per lei teorias atomicas anticas, qu'explicava lo movement per de tuerts entre particulas invisiblas a l'origina dei fòrças. Puei, au començament de la segonda mitat dau sègle XVI, Christiaan Huygens (1626-1695) descurbiguèt lei lèis fondamentalas dei tuerts elastics e lei lèis de la fòrça centrifuga. Pasmens, mau capitèt d'explicar la gravitacion a partir deis idèas de Descartes.

Newton e lo modèl classic de la fòrça

Retrach d'Isaac Newton.

Assimilat ai costats sorns de l'alquimia, lo concèpte de fòrças d'accions de distància foguèt lòngtemps ignorat per lei fisicians dei sègles XVI e XVII. Pasmens, la revirada de Descartes e de Huygens per explicar lo movement dei planetas a partir dau « mecanisme » favorizèt l'emergéncia d'autrei teorias. Ansin, a partir dei lèis de movement calculadas per l'astronòm Johannes Kepler (1571-1630), Isaac Newton (1643-1727) descurbiguèt l'interaccion gravitacionala. Per la depintar, utilizèt una nocion de fòrça gravitacionala considerada coma una accion de distància. Aquò li permetèt de concebre lo premier ensems de lèis mecanicas complèt que pòrta uei lo nom de mecanica classica.

Lo succès de la mecanica newtoniana foguèt tant important que son concèpte de fòrça de distància s'impausèt coma la nòrma fins a la fin dau sègle XIX. Segon eu, una fòrça es representada per un vector que permet de representar son orientacion, son sens e son ponch d'aplicacion. Una fòrça aplicada a un còrs es determinada per lo cambiament dau movement d'aqueu còrs. La velocitat es determinada per un quadre provesit per un temps e un espaci absoluts. Una fòrça « inerciala » depintava la capacitat d'un objècte de resistir a sa mesa en movement.

Au sègle XVIII, l'estudi dei fenomèns electrics e magnetics per Henry Cavendish (1731-1810) e Charles-Augustin Coulomb (1736-1806) foguèt realizat dins l'enquastre dau modèl classic e permetèt de definir una fòrça electromagnetica fòrça similara a la gravitacion newtoniana : proporcionalitat dei cargas ò dei massas, proporcionalitat a l'invèrs dau carrat de la distància e fòrça orientada lòng de l'axe entre lei dos objèctes considerats. Aquò renforcèt l'universalitat dau concèpte newtonian de fòrça que permetiá donc de descriure totei lei fenomèns coneguts durant aqueu periòde.

Lo desvolopament de la nocion de potenciau

Dins lo corrent dau sègle XIX, la perseguida deis estudis pertocant lei corrents electrics entraïnèt la descubèrta de fòrças non dirigidas segon la linha liant lei dos elements de corrent considerats. Per lei descriure, foguèt necessari de desvolopar lo formalisme vectoriau e d'adoptar la nocion de camp vectoriau. Situats a l'entorn dei particulas ò dei corrents estudiats, aquelei « camps » permèton davalorar la fòrça qu'i es aplicada dirèctament a partir de sa posicion. De mai, dins certanei condicions, lo camp pòu èsser reduch a un « potenciau », es a dire a una quantitat escalara, en cada ponch de l'espaci.

La propagacion d'aquelei camps vectoriaus e escalars foguèt premier supausada instantanèa. Dins aquò, en 1873, James Clerk Maxwell (1831-1879) demostrèt que se propagan a la velocitat de la lutz. De mai, trobèt una tiera d'eqüacions que permetèron d'unificar lei fòrças electrica e magnetica. Aplicat a la gravitacion, lo meteis principi permetèt tanben d'establir que lei variacions dau camp gravitacionau se desplaçan a la velocitat de la lutz. Aquò permetèt donc l'emergéncia d'una fisica novèla que necessitava plus l'utilizacion dei fòrças definidas per Isaac Newton.

Vèrs la concepcion contemporanèa de la nocion de fòrça

Article detalhat: Modèl estandard.

Fotografia d'Albert Einstein.

A la fin dau sègle XIX e au començament dau sègle XX, lei recèrcas de Max Planck (1858-1947) e d'Albert Einstein (1879-1955) transformèron la concepcion de la fisica ambé lo desvolopament de la mecanica quantica e de la mecanica relativista. Dins aquelei modèls, lei fòrças newtonianas foguèron abandonadas au profiech dei concepcions novèlas eissidas de la nocion d'interaccions basadas sus de cambis d'energia quantificats. Aquò a tanben permés de descubrir doas interaccions fondamentalas suplementàrias que son l'interaccion fòrta e l'interaccion febla que permèton d'explicar la coesion de la matèria.

De particulas dichas bosons (foton, gluons, boson de Higgs...) pòrtan aquelei cambis e son lei vectors modèrnes de la nocion contemporanèa de « fòrça ». De tipes novèus de camp, coma lo camp tensoriau per la gravitacion, foguèron tanben introduchs per descriure lei fenomèns novèus observats. Certanei particulas depintadas dins aquelei teorias, coma lo graviton, son encara ipoteticas.

Dins aquò, aquel abandon dau concèpte de fòrça newtoniana per lei teorias contemporanèas es limitat ai camps pus avançats de la fisica actuala. Son usatge es ansin totjorn fòrça frequent au sen de la comunautat scientifica e dins l'ensenhament en causa de sa simplificitat.

Lei quatre interaccions fondamentalas

L'interaccion gravitacionala

Article detalhat: Interaccion gravitacionala.

L'interaccion gravitacionala es responsabla de l'atraccion dei còrs massís entre elei. Modelizada per lo premier còp a la fin dau sègle XVII per Isaac Newton, es la pus coneguda deis interaccions fondamentalas. En mecanica classica, la fòrça gravitacionala d'un objècte A sus un objècte B es representada per un vector orientada lòng d'una linha passant per lei centres de massa dei dos objèctes. Es proporcionala a la massa dei dos còrs, a la constanta gravitacionala G e a l'invèrs dau carrat de la distància entre lei dos objèctes.

Dins lo modèl estandard de la fisica, l'interaccion gravitacionala es una manifestacion de la deformacion de l'espaci temps en causa de l'efèct de l'energia de la matèria que s'i tròba. L'atraccion dei còrs massís es alora liada a sa « casuda » dins lei potz « cavats » dins l'espaci temps per aquelei massas. Lo boson que pòrtan aquela fòrça son dichs graviton mai son existéncia es pas encara demostrada.

L'interaccion electromagnetica

Article detalhat: Interaccion electromagnetica.

L'interaccion electromagnetica permet d'explicar leis interaccions entre lei particulas electricament cargadas. D'un biais generau, lei particulas amb una carga de signe diferent s'atrason e lei particulas amb una carga de meteis signe se rebutan. En mecanica classica, aquela interaccion es exprimida per leis eqüacions de Maxwell que permèton de liar entre elei lei fòrças electrica e magnetica.

Dins lo corrent dau sègle XX, de teorias novèlas foguèron desvolopadas per aplicar lei descubèrtas eissidas de la mecanica quantica e de la relativitat au domeni de l'electromagnetisme. Lo resultat principau n'es l'electrodinamica quantica que fa partida dau modèl estandard e de la fisica e que permet de depintar totei lei fenomèns non liats a la gravitacion ò a la radioactivitat. Segon aqueu modèl, l'interaccion electromagnetica es portada per lei fotons.

L'interaccion fòrta

Article detalhat: Interaccion fòrta.

L'interaccion fòrta (de còps dicha « interaccion de color ») agís sus lei particulas que pòrtan una carga de color (quarks, antiquarks e gluons). Permet d'explicar la coesion dei nucleons au sen dau nuclèu de l'atòm. Es una fòrça d'intensitat importanta mai de portada fòrça limitada. Lei bosons restacats an aquela fòrça son dichs gluons. La cromodinamica quantica es la teoria que depinta a l'ora d'ara lo foncionament de interaccion fòrta.

L'interaccion febla

Article detalhat: Interaccion febla.

L'interaccion febla es associada amb una carga dicha isospin feble. Depinta l'interaccion entre doas particulas. En particular, es responsabla de la desintegracion radioactiva de particulas subatomicas e es a l'origina de la fusion nucleara dins leis estèlas. Pòu tocar totei lei tipes de fermions coneguts a l'ora d'ara, especialament leis electrons, lei quarks e lei neutrinos. Pasmens, es una interaccion de portada fòrça febla que son intensitat es inferiora a l'interaccion fòrta. Es portada per lei bosons W⁺, W^- e Z⁰.