En physique classique, une force est une grandeur vectorielle qui modélise l'action mécanique exercée sur un objet ou une partie d'objet par un autre objet ou partie d'objet. L'ensemble des forces appliquées à un objet provoque son accélération ou sa déformation. En physique quantique ou relativiste le concept de force est abandonné, sinon dans le sens qualitatif d'interaction (force faible, force nucléaire).
Introduit antérieurement , le concept de force a été précisé en 1684 par Isaac Newton, qui en a fait l'un des fondements de la mécanique newtonienne.
Histoire Le concept de force est ancien, mais il a mis longtemps à obtenir une nouvelle définition utilisable. Il y a une première difficulté liée au fait que la force est plus compliquée que des grandeurs physiques telles que la longueur ou la masse : ces dernières sont représentées seulement par une grandeur scalaire, alors que la force nécessite en plus le concept de vecteur pour représenter la direction d'action.
Plus gravement, il n'est pas bien clair s'il existe une réalité physique dont les vecteurs des forces seraient une représentation. Les philosophes et physiciens du courant dit opérationnaliste ou instrumentaliste nient qu'il existe des forces réelles : selon eux, les vecteurs de forces utilisés en mécanique ne sont que des outils de représentation abstraite utile au physicien, mais qui ne correspondent pas à une chose dans la réalité. Comme arguments en faveur de leur thèse, on retiendra qu'il est possible de se passer totalement du concept de force (s'il y avait une réalité physique correspondante, il faudrait d'une façon ou d'une autre qu'elle soit représentée pour que le système fonctionne), et que les forces sont imperceptibles (on ne connaît aucun capteur de force qui mesurerait directement une force, . Les réalistes au sujet des forces, à l'opposé, soutiennent que les vecteurs de forces réfèrent à des forces qui existent indépendamment de leur représentation. À l'objection selon laquelle les forces sont imperceptibles, ils répondent souvent que la perception tactile ou le sens musculaire nous permettent d'expérimenter de telles entités physiques (argument qui a du sens tant qu'on ignore que nos organes sont en réalité sensibles à des déplacements et non des forces).. Quoi qu'il en soit, le fait que cette querelle philosophique existe encore de nos jours traduit une difficulté profonde.
Archimède, lors de l'étude du problème du bras de levier qu'il effectue dans De l'équilibre des figures planes, évoque le poids des corps, sans expliquer plus explicitement ce qu'il entendait par là. Dans son Traité des corps flottants., il utilise explicitement la notion de force, mais toujours en la comparant au poids.
Galilée, quand il traite le problème du plan incliné ou celui de la chute des corps, continue dans la même veine : la notion de force n'est pas explicitement utilisée alors que masse, vitesse et temps le sont. Un peu auparavant, la composition des forces apparaît implicitement dans les travaux de Simon Stevin (De Beghinselen der Weeghconst, 1586), cependant la distinction entre la notion de force et de vitesse n'y est pas encore nette.
À la suite des travaux de Huygens, Leibniz définit mathématiquement la force vive comme la masse multipliée par le carré de la vitesse, ainsi que l'action comme cette force (m·v) multipliée par le temps, autrement dit la somme de toutes les forces vives d'un système pendant une durée, concept que répandront Wolff, Maupertuis et Lagrange.
Isaac Newton est celui qui définit ce qu'on entend par force en physique de nos jours. Il l'appelle force accélératrice dans ses (1687), et cela lui permet une présentation simple de la mécanique classique (lois du mouvement de Newton). Newton prévient toutefois qu'il ne considère pas ces « forces » d'un point de vue physique mais seulement mathématiqueFin de la , p. 408 de l'édition de Bernard Cohen et Anne Whitman, 1999 ; confirmé dans le commentaire (lire en ligne). et il précise par ailleurs que l'action à distance (que la force permet) lui parait absurde, de sorte qu'il y a forcément quelque chose d'autre, encore inconnu, qui justifie la gravité.
Aujourd'hui, la notion de force en physique reste très utilisée, en particulier dans l'enseignement et dans l'ingénierie. Pourtant, alors que les moments, l'énergie et les quantités de mouvement ou impulsions sont des grandeurs fondamentales de la physique, la force peut être vue comme un artifice de modélisation, commode mais non indispensable. En mécanique analytique existent des formulations de la mécanique classique qui n'utilisent pas le concept de force. Ces formulations, apparues après la mécanique newtonienne, font cependant appel à des notions encore plus abstraites que le vecteur force, et on considère en conséquence qu'il vaut mieux les introduire seulement dans l'enseignement supérieur.
Les forces sont d'autre part souvent confondues avec le concept de contrainte mécanique, et notamment avec les tensions.
Caractéristiques La force est une grandeur de nature vectorielle. Une force peut être complètement représentée par un vecteur lié (ayant une direction, un sens et une intensité) et un point d'application, voir « Vecteur force ».
Quand un ensemble de forces est appliqué à un système indéformable (un solide parfait), cet ensemble peut être complètement représenté par un torseur (caractérisé par un vecteur et le moment en un point).
Parmi les forces entre plusieurs objets il peut être commode de distinguer celles qui s'exercent à leur contact de celles qui s'exercent à distance, mais il n'y a pas entre elles de différence de nature (les forces de contact sont de nature électrostatique).
Quand on s'intéresse à un système déformable (dispositif mécanique, solide élastique, fluide), il est utile de distinguer les forces intérieures (exercées entre les différentes parties du système) des forces extérieures (exercées par des objets non inclus dans le système considéré).
Un concept très utile Le concept de force est très utile pour « imaginer » le mouvement (dynamique), les efforts (statique) ou déformations (Résistance des matériaux) subis par un objet. Quelle que soit la ou les causes du mouvement ou des efforts (freinage par frottement, accélération par moteur, portance sur une aile par les écoulements de l'air, attraction par la terre, attraction par un aimant), tout se passe comme si on attachait à cet objet des petits élastiques tendus avec la même tension que la force qui s'applique sur l'objet.
Qui plus est, il est possible de combiner les forces s'appliquant sur un même point, mais provenant de différentes causes, en une seule force. Pour cela, il suffit de sommer les vecteurs force (cette opération revient à remplacer deux élastiques attachés à un même point, mais tirant peut-être dans des directions différentes, par un seul élastique produisant la même tension).
C'est cette capacité à réunir et à combiner dans un même outil des phénomènes aussi variés qui confère toute sa puissance au concept de force.
Ainsi, une fois assimilées les lois du mouvement de Newton, on peut comprendre l'effet de n'importe quelle interaction sur un objet, pourvu, toutefois, de rester dans les conditions d'application de la mécanique classique : les objets doivent être suffisamment grands, par rapport à un atome, pour que la matière paraisse continue (sinon, il faut utiliser la mécanique quantique) ; les vitesses doivent être relativement faibles, par rapport à la vitesse de la lumière (sinon, il faut utiliser la relativité générale ou la relativité restreinte) ; le champ de gravitation doit être peu variable et d'intensité limitée, afin que l'on puisse négliger ses effets sur la géométrie de l'espace-temps (sinon, il faut utiliser la relativité générale). Dans notre vie quotidienne de terriens humains, les conditions d'application de la mécanique classique sont toujours satisfaites sur les objets que nous pouvons voir sur terre à l'œil nu. Mais les propriétés de ces objets (couleurs, dureté, fonctionnement d'un appareil électronique) s'expliquent en général par des interactions au niveau moléculaire, et nécessitent parfois, pour être expliquées, d'avoir recours à la mécanique quantique.
Application aux systèmes complexes
Quand on étudie le comportement d'un système physique constitué de plusieurs objets et qu'on fait le bilan des forces appliquées au système (c'est-à-dire à ses différents objets), il est utile de distinguer les forces intérieures (exercées par d'autres objets du système) des forces extérieures (exercées par des objets extérieurs au système). On montre en effet que la résultante des forces intérieures est nulle et donc qu'elles ne contribuent en rien à l'accélération globale du système (c'est-à-dire l'accélération de son centre de gravité). Par contre elles interviennent dans le bilan énergétique (parce que deux forces opposées deux-à-deux peuvent très bien fournir un travail non nul).
Vecteur force En physique, on modélise une force par un vecteur lié. Un représentant du vecteur force est caractérisé par quatre éléments : La direction : orientation de la force ; Le sens : vers où la force agit ; La norme : intensité de la force, elle est mesurée en newtons (N) ; Le point d'application : endroit où la force s'exerce. Il est également possible d'employer un vecteur glissant, en remplaçant la donnée du point d'application par celle de la droite support.
Le parallélogramme des forces (Relation de Chasles appliquée aux vecteurs forces)
Le théorème du parallélogramme des forces explique que différentes combinaisons de mouvements (« trajets ») vers un point puissent coexister. Les combinaisons de mouvements sont différentes dans les deux cas mais elles sont équivalentes, elles permettent de rejoindre le même point.
Dans le parallélogramme ci-contre, on peut distinguer deux types de mouvement : un déplacement parallèle à AB et DC (côtés bleus du parallélogramme) ; un déplacement parallèle à AD et BC (côtés verts du parallélogramme). Quand un solide est situé initialement au point A, l'ordre de parcours AB puis BC ou bien AD puis DC n'a aucune influence sur le résultat final : quel que soit l'ordre des mouvements, le solide est déplacé au point C.
L'observation entre les forces (les causes) et les mouvements (les effets) fut utile à Simon Stevin puis Isaac Newton. Le théorème du parallélogramme des forces s'énonce ainsi :
Considérons un solide au point A. Appliquons-lui une force F proportionnelle et parallèle au segment AB et qui déplace l'équilibre du solide au point B, puis une force F proportionnelle et parallèle au segment BC et qui déplace l'équilibre du solide du point B au point C. Alors la force F parallèle au segment AC et qui déplace l'équilibre du solide du point A au point C est telle que : . La force F est appelée la force « résultante » des deux forces F et F.
Inversement, soit un point B quelconque et la force F proportionnelle et parallèle au segment AC et qui déplace l'équilibre du solide du point A au point C. Considérons les forces F et F parallèles respectivement aux segments AB et BC et telles que : . Alors l'application des forces F et F au solide va déplacer l'équilibre de ce dernier du point A au point C.
Cette dernière propriété des forces permet de séparer une force en plusieurs composantes et est utilisée par exemple pour décomposer une force de réaction R en ses composantes normale (l'effort d'appui N) et tangentielle (l'effort de frottement T).
Enfin, soit un point D tel que ABCD soit un parallélogramme, alors la force F, qui déplace l'équilibre du solide du point B au point C, peut aussi déplacer l'équilibre du point A au point D. Il en est de même pour la force F qui peut indifféremment déplacer le solide du point A au point B ou du point D au point C.