Résumé :
Ce cours étudie les corps continus en physique. Il commence par les objets ponctuels, mais montre comment la mécanique newtonienne explique que les objets constitués de nombreuses particules peuvent simuler la continuité de la nature. Il passe en revue les lois de Newton pour comprendre le mouvement et les causes chez les particules. Il souligne que les corps conglomérés acquièrent des propriétés uniques et sont classés en solides, liquides et gaz en fonction de leur réaction aux forces externes.

Objectifs d’Apprentissage :
À la fin de ce cours, l’étudiant sera capable de :

1. Comprendre comment les états possibles de mouvement relatif entre les points de matière peuvent reproduire les états de la matière.
2. Reconnaître les nouvelles propriétés qui émergent des particules lorsqu’elles forment un conglomérat.
3. Comprendre la connexion entre la mécanique des particules et celle des milieux continus.

TABLE DES MATIÈRES :
CORPS CONTINUS EN PHYSIQUE
COMMENT PEUT-ON COMPRENDRE LES CORPS CONTINUS EN PHYSIQUE ?
LA PHYSIQUE DU CONTINU

Corps Continus en Physique

En physique, on commence souvent par étudier des objets ponctuels et idéalisés avant d’aborder des systèmes plus complexes et réalistes. Bien que la nature ne présente pas d’objets ponctuels, cette approche a du sens car elle permet d’aborder les concepts de manière plus simple et compréhensible. La mécanique newtonienne, par exemple, a été développée avant la physique du continu, il est donc important d’avoir une certaine familiarité avec ses lois pour comprendre comment les objets continus, qui sont formés par un grand nombre de petites particules, peuvent « simuler » la continuité que nous observons dans la nature.

Rappel des Lois de Newton

La physique étudie les phénomènes qui changent dans la nature, car sans changement, aucune perception n’est possible. Il est donc important de se rappeler les concepts fondamentaux de la mécanique newtonienne, qui nous permettent de comprendre le mouvement des particules et leurs causes, ainsi que la position, le moment et leurs variations.

La position et le moment sont des attributs de la matière, se rapportant à la localisation et au mouvement d’un objet dans l’espace. Tous les objets ayant une masse ont une position et un état de mouvement.

Rappelons les trois lois de Newton.

• PREMIÈRE LOI : Loi de l’Inertie :
  En l’absence d’une action extérieure, tout corps conserve son état de mouvement.
• DEUXIÈME LOI : Loi de la Force et des Masses :
  Si l’état de mouvement d’un corps change, ce sera par l’action d’une force, et celle-ci est équivalente à la variation de l’état de mouvement dans le temps.

  \displaystyle\vec{F}= \frac{d\vec{p}}{dt}

• TROISIÈME LOI : Loi de l’Action et de la Réaction :
  À toute force « action » correspond une autre force « réaction », de même magnitude, mais de sens opposé.

Comment Peut-on Comprendre les Corps Continus en Physique ?

Un corps continu est un conglomérat d’objets ponctuels; la branche d’un arbre ou le sang de notre corps sont constitués de particules si petites en taille et nombreuses qu’ensemble elles ressemblent à une « continuité ».

Les corps formés par un conglomérat acquièrent des qualités que leurs parties ne possèdent pas individuellement.

• La position de chaque particule par rapport aux autres produit la forme du corps.
• L’état de mouvement de tout le corps est dû à l’état de mouvement collectif de toutes les particules dans leur ensemble.
• Et les possibilités de mouvement relatif entre les points de matière produisent les états de la matière.

Toutes ces choses sont sujettes au changement. Ainsi, en fonction de ces caractéristiques physiques, nous pouvons classer les corps selon la manière dont ils changent sous l’action d’une force extérieure.

Types de Corps Continus en Physique

Les corps continus sont classés de la manière suivante :

Ceux pour lesquels la position relative entre leurs particules tend à rester constante en l’absence de forces externes.

D’une part, dans les solides, la position relative entre les particules qui les composent tend à rester constante, à moins qu’une force externe ne soit appliquée. Les corps faits d’acier, de bois, d’os ou de caoutchouc entrent dans cette classification. La position relative entre les particules est soutenue par deux types de forces : d’une part, nous avons les forces de restitution, qui s’opposent à toute force tentant de déplacer les particules de leur position relative, et les forces dissipatives, qui libèrent l’énergie introduite par l’action de la force externe jusqu’à ce qu’elle disparaisse. Les forces de restitution sont responsables de l’oscillation d’un ressort après perturbation, tandis que les forces dissipatives sont responsables du chauffage d’une barre de fer lorsqu’elle est pliée.

Et ceux pour lesquels, au contraire, la position relative entre leurs particules varie même en l’absence de forces externes.

En revanche, dans les fluides, la position relative entre les particules change même si aucune force externe n’est exercée, et même lorsque le corps conserve sa forme. L’air confiné dans une bouteille ou l’eau dans un seau sont de cette nature. Les forces de restitution qui maintiennent chaque partie en place sont presque inexistantes et les forces dissipatives sont responsables du phénomène de viscosité.

Ils se classent en deux types :

Corps Liquides :

Il existe des forces internes suffisamment fortes pour préserver la distance relative moyenne, mais pas la position, entre les particules, faisant que collectivement la substance tend à maintenir un volume constant.

Corps Gazeux :

En l’absence de restrictions, ils n’ont pas de volume fixe. Les particules se déplacent librement dans l’espace disponible. Lorsqu’ils sont contenus dans un récipient, chaque point de l’intérieur représente une position possible pour les particules du gaz.

La principale différence entre les solides et les fluides est que les solides ont tendance à conserver leur forme tandis que les fluides ne le font pas. Lorsqu’un solide change de forme, il tente de revenir à celle-ci ou il chauffe (au moins l’une des deux), et il peut même se briser; contrairement aux solides, les fluides offrent peu de résistance au mouvement de leurs particules et s’adaptent au récipient qui les contient.

La Physique du Continu

Cette science traite de l’étude des corps continus dans certains des états que nous venons de décrire et de leurs propriétés physiques; mais comme nous l’avons vu, on suppose que le nombre et la taille des particules qui composent le corps sont tels qu’ils le font se comporter comme un objet continu. Dans cette science, bien que l’on parle de « forces entre les particules », on ne détaille pas leur nature, qu’elle soit électromagnétique, d’origine quantique ou de simples collisions; au lieu de cela, c’est une analyse collective. L’analyse détaillée de ces situations, où l’on considère les types de forces entre les particules, est plus propre à la mécanique statistique. De cette science, d’autres émergent selon le type de corps étudié et l’approche donnée à cette étude.

• Physique du Continu
  • Mécanique des Solides
    Étudie le comportement des matériaux solides sous différents types de contraintes de déformation.
  • Mécanique des Fluides
    • Hydrodynamique : Étudie le comportement des liquides
    • Pneumatique : Étudie le comportement des gaz