La mécanique est la branche de la physique qui traite du comportement des corps physiques lorsqu'ils sont soumis à des forces ou à des déplacements, et de l'effet ultérieur de ces corps sur leur environnement. Ce domaine peut être divisé en deux domaines principaux : la statique , l'étude des corps au repos, et la dynamique , l'étude des corps en mouvement.
La statique concerne l'analyse des charges (force, couple/moment) sur des systèmes physiques en équilibre statique, c'est-à-dire dans un état où les positions relatives des sous-systèmes ne varient pas dans le temps, ou où les composants et les structures sont à une vitesse constante. . Un concept important en statique est l’idée d’équilibre, où la somme des forces et la somme des moments autour de n’importe quel point doivent être nulles.
Par exemple, considérons le cas simple d’un livre posé sur une table. Le poids du livre exerce une force vers le bas due à la gravité, et la table soutient le livre avec une force égale et opposée appelée force normale. Selon la troisième loi de Newton, ces forces sont de même ampleur et de direction opposée, garantissant que le livre reste au repos.
La dynamique est l'étude des forces et du mouvement des objets. Il est ensuite divisé en cinématique, qui se concentre sur la description du mouvement sans égard à ses causes, et en cinétique, qui examine les forces qui provoquent ou modifient le mouvement des objets.
Les concepts clés de la dynamique incluent les lois du mouvement de Newton, qui peuvent être résumées comme suit :
Un exemple démontrant la dynamique est le mouvement d’une voiture accélérant sur une route. Lorsque le conducteur appuie sur la pédale d’accélérateur, le moteur génère une force qui pousse la voiture vers l’avant. Selon la deuxième loi de Newton, l’accélération d’une voiture est déterminée par la force générée par le moteur et la masse de la voiture.
L'énergie est un concept clé en mécanique, lié à la capacité à effectuer un travail. Il existe deux principaux types d'énergie mécanique : l'énergie cinétique , l'énergie du mouvement, et l'énergie potentielle , l'énergie stockée dans un objet en raison de sa position ou de sa disposition.
Le principe de conservation de l’énergie mécanique stipule que si seules des forces conservatrices (telles que les forces gravitationnelles et élastiques) effectuent un travail, l’énergie mécanique totale d’un système reste constante. Cela peut être représenté par l'équation \(E_{total} = K + U\) , où \(E_{total}\) est l'énergie mécanique totale, \(K\) est l'énergie cinétique et \(U\) est l’énergie potentielle.
Les machines simples sont des appareils capables de modifier la direction ou l’ampleur d’une force. Ce sont les composants fondamentaux de machines plus complexes. Les six machines simples classiques sont le levier, la roue et l'essieu, la poulie, le plan incliné, la cale et la vis.
Par exemple, un levier est une machine simple qui peut être utilisée pour soulever des poids lourds avec moins d’effort. Le principe d'un levier est la notion d'avantage mécanique, qui découle de la loi des moments : la force appliquée multipliée par sa distance au pivot doit être égale à la force de charge multipliée par sa distance au pivot. Cela peut être exprimé comme \(F_1d_1 = F_2d_2\) , où \(F_1\) et \(F_2\) sont les forces et \(d_1\) et \(d_2\) sont les distances du pivot.
La mécanique est une branche fondamentale de la physique qui permet une compréhension globale du monde physique grâce à l'étude des forces et du mouvement. La statique et la dynamique offrent des informations essentielles sur l'équilibre et le mouvement des objets, tandis que les concepts d'énergie et de machines simples illustrent les applications pratiques de ces principes dans des scénarios du monde réel. L’étude de la mécanique approfondit non seulement notre compréhension de l’univers, mais améliore également notre capacité à concevoir des solutions aux problèmes quotidiens.
