Théorie de la force au niveau moléculaire

[Chmiman]

Bonsoir ,


Actuellement , on a des lois qui décrivent les mouvements , ça marche bien !

Mais comment expliquer la force que j'exerce sur un objet au niveau moléculaire , atomique meme ! ?

Quand j'appuie sur l'extrémité d'un clou ( exemple au hasard ) j'appuie sur la tete et la force se ressent sur la pointe , c'est pas aisé à comprendre , y a t'il eu des études sur cela , l'étude des forces et dès mouvements au niveau moléculaire , comment les molecules bougent sous l'effet d'une force ou encore comment la transmette t'elle intégralement , car une force est censée être la meme sur la pointe que sur la tete !

Ces questions me tiennent vraiment à coeur , mais je sais pas si c'est de la paranoïa ou de la curiosité scientifique à ce niveau de questions ..
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[Dynamix]

Curieux clou
Plus on appuie dessus plus il ressort .
La somme des forces qui s' appliquent à une molécule est décrite par la deuxième loi de newton .
En statique , elle est nulle .

[Chmiman]

Je ne parle pas trop de ca , je me demande , (et d'ailleurs c'est fou que vous ne vous le demandiez pas aussi ) , comment quand on exerce une force avec notre main ou autre chose se comporte la matière au niveau moléculaire , les molécules transmettent chacune d'une énergie égale à l'énergie donnée par la main sans la dissiper , enfin comment ça marche au coeur de la matière les forces quoi ! Comment tout cela , toute cette matière va t-elle se comporter quand on exerce une force , Newton a décris ce qu'on voyait , mais apres tout , ce que disait Chadocan , c'est que quand on pousse une voiture à l'arrière l'avant avance aussi, et cela peut être décris par les lois de Newton mais c'est pas le propos , je demande comment la force exercée en un point X Va se " transmettre " ( entre guillemet !!) à un autre point du solide ! Mais attention , les forces appliquées par l'humain ou un objet , pas coulomb, ou autre force de type électromagnétique .

[JPL]

C'est simplement parce qu'un solide est cohérent car il existe des liaisons entre les molécules qui le constituent. Ces liaisons peuvent être de différente nature : électrostatiques (liaisons ioniques et hydrogène), parfois covalentes, cohérence des structures cristallines...

[A voir en vidéo sur Futura]

[Chmiman]

Donc pas d'histoire de molécule qui transmet la force ? La voiture poussée par l'arrière mais le devant bouge s'explique uniquement par le mot " liaisons covalentes ou hydrogènes " ? Cela explique juste la cohésion de la matière , non ?

[Dynamix]

A l' intérieur de la matière il n' est plus question de forces , mais de contraintes (tridirectionelles) .
Si tu veux en savoir plus , ouvre un bon manuel de RDM .
Le chapitre "tenseur des contraintes" en particulier .

[coussin]

Connaissez-vous le pendule de Newton ?

[Chmiman]

Oui et d'ailleurs sur un autre post j'en ai parlé pour montrer que la force se transmettait dans la matière , enfin j'ai essayé ..

[Dynamix]

Le pendule de Newton montre que la force se "transmet" d' une boule à l' autre , mais pas dans la matière .

[Chmiman]

On en revient à la case départ : Comment la matière transmet elle la force ? ( ce n'est pas un pourquoi , mais un comment )

[mach3]

Prenons un corps solide. Il est fait d'atomes qui sont liés les uns aux autres par les forces électromagnétiques.

Considérons deux atomes atomes immobiles à une certaine distance l'un de l'autre, les forces électromagnétiques (qui ont une expression complexe du fait de la structure des atomes, exemple : https://fr.wikipedia.org/wiki/Potent..._Lennard-Jones ) font qu'il existe une distance d'équilibre. Si la distance est plus grande que la distance d'équilibre la force est attractive, ce qui tend à rapprocher les atomes. Si la distance est plus courte, la force est répulsive, ce qui tend à éloigner les atomes. L'expression de la force entre deux atomes est très complexe et dépend des atomes et de leur environnement, mais on peut modéliser l'interaction comme une simple ressort en assez bonne approximation. Le comportement sera donc à peu près le même que celui de deux masses attachées par un ressort, on appelle cela l'oscillateur harmonique.

Considérons donc un atome A et un atome B, immobiles et éloignés exactement de la distance d'équilibre. On considère que l'atome B est à droite de l'atome A. On pousse l'atome A vers l'atome B, il va avancer vers la droite, et une force répulsive va se développer. Cette force répulsive va accélérer l'atome B vers la droite, et accélérer l'atome A vers la gauche. L'atome B se met donc à avancer vers la droite, et l'atome A ralentit, voire même change de sens. La distance entre les deux passe par la distance d'équilibre, il n'y a plus de force, mais les deux atomes ont des vitesses qui les éloignent, ils continuent au-delà, et là une force attractive se manifeste, qui ralenti B et accélère A vers la droite. Les deux atomes se rapprochent à nouveau, repassent par la position d'équilibre, mais ils ont une vitesse qui les rapprochent, ils continuent au-delà, et une force répulsive se fait sentir, etc, etc.
Au bilan, on a poussé A et c'est l'ensemble AB qui avance, tout en oscillant.

Imaginons maintenant qu'on a n atomes à la file. On pousse le premier, une force répulsive se développe, qui pousse le second, du coup une force répulsive se développe entre le second et le 3e, du coup le 3e et poussé, etc. Le fait de pousser le premier atome engendre, de proche en proche, la mise en mouvement de la file d'atomes, et également des oscillations qui vont ressembler à ça : https://upload.wikimedia.org/wikiped...8280_kB%29.gif . Ces oscillations sont des ondes sonores.

Pour un objet solide, le fait d'appliquer une force sur un ou plusieurs de ces atomes va les faire bouger, et ils feront à leur tour bouger leurs voisins, de proche en proche. Si l'objet est en contact avec un autre, les atomes du bout du premier objet, quand ils seront atteint par l'onde, vont pousser sur les atomes du second, et ça sera à nouveau transmis de proche en proche dans ce second objet.

m@ch3

[coussin]

On en revient à la case départ : Comment la matière transmet elle la force ? ( ce n'est pas un pourquoi , mais un comment )

Eh bien, en première approximation (qui consiste à considérer les potentiels d'interaction entres atomes comme des potentiels de contact), comme dans un pendule de Newton

[Deedee81]

Salut,

Je crois que ceci va répondre à ta question. Toute liaison atomique, moléculaire (et même nucléaire) est du type potentiel de Morse ou du style.
https://fr.wikipedia.org/wiki/Potentiel_de_Morse

Le puits de potentiel négatif indique une liaison stable et attractive. Le fait que le potentiel grimpe fortement pour les courtes distances est dû au caractère impénétrable des différents objets (pour diverses raisons, interactions courtes distances, potentiel électrostatique répulsif, principe d'exclusion). Et la comportement longue distance varie selon qu'on a affaire à des interactions courtes ou longue portée.

En mécanique quantique on parle couramment de potentiel, de fonction d'onde, etc.... Presque jamais de force. Mais c'est assez facile à traduire car en mécanique, toute force conservatrice dérive d'un potentiel et la force n'est rien d'autre que le gradient de potentiel.

Ceci donne une idée de la manière dont se transmettent les forces de contact. Si tu pousses sur un objet, les molécules se rapprochent et la compression (même infime) se traduit par un rapprochement de la courbe montante du potentiel, une forte répulsion, un éloignement et ainsi une propagation de proche de la force appliquée.

Dans les faits c'est vite un peu plus complexe. Un solide se comporte un peu comme un ensemble de boules attachées par des ressorts avec une rigidité plus ou moins importante. Ainsi, toute pression sur le matériau provoque la formation d'ondes de compression qui sont quantifiées : les phonons https://fr.wikipedia.org/wiki/Phonon
Mais ils se propagent très vite (à la vitesse du son en fait, très élevée en général dans les solides). Et le bilan final est un déplacement de l'objet sous la force appliquée... ou une déformation.
De plus, tout cela dépend de la structure du matériau (amorphe, cristalline, avec joints de grain de différentes natures et inclusions diverses et variées).
Vu la complexité, selon l'échelle on a des outils différents. Et celui qui calcule les contraintes et déformations d'une structure en treillis pour la conception d'un pont ne s'amuse pas à utiliser un modèle moléculaire (sauf s'il est cinglé et possède de très puissants ordinateurs ). Par contre, les propriétés des poutres métalliques qu'il va utiliser ont été déterminées par des ingénieurs et métallurgistes par mesure (évidemment) et par des modèles qui peuvent faire intervenir une modélisation moléculaire.

[Chmiman]

Tout de façon j'ai jamais compris ces histoires d'oscillations , on applique une force et les objets oscillent , c'est fou , c'est incompréhensible , votre lien où l'on voit les boules qui oscillent je peux le concevoir mais uniquement comme observation , c'est passionnant mais je suis obligé d'admettre tout de que vous me dites , ce qui des fois m'embête mais apres tout , la science c'est l'observation .

Revenons sur les boules qui vont et viennent d'un sens à l'autre , comment ça se fait qu'une force appliquée donne une compression comme ça ? J'applique une force et la matière réagit de façon complexe , vous ne trouvez pas'?

C'est vraiment passionnant , je pense que je comprends ce que vous me dites si j'admet que le monde fonctionne comme ça et qu'il n'y a pas d'autres réponses !

[Deedee81]

Tout de façon j'ai jamais compris ces histoires d'oscillations , on applique une force et les objets oscillent , c'est fou , c'est incompréhensible , votre lien où l'on voit les boules qui oscillent je peux le concevoir mais uniquement comme observation , c'est passionnant mais je suis obligé d'admettre tout de que vous me dites , ce qui des fois m'embête mais apres tout , la science c'est l'observation .

Ca se voit bien sur les équations aussi. Mais prend quelque chose de plus simple : un pendule au repos. Pousse un coup sur le pendule : il se met à osciller. Est-ce si étrange ?

C'est la même chose avec le potentiel de Morse. Si l'objet (électron, atome, molécule,...) s'écarte de la position d'équilibre (fond du puits de potentiel) il subit une force de rappel qui le ramène vers centre. Mais lorsqu'il y arrive il a une énergie cinétique non nulle et donc.... il continue sur sa lancée, subit une force de rappel dans l'autre sens. Etc.... Donc ça oscille. C'est franchement évident. Et si tu as des tas de trucs comme ça interconnectés, ça se propage de proche en proche d'une manière assez évidente aussi.
(en mécanique quantique il y a toujours une oscillation résiduelle, principe d'incertitude oblige, mais ça ne change pas grand chose au raisonnement).

L'oscillation ne s'arrête que si l'énergie se dissipe ou se propage. C'est ce qui arrive avec les matériaux, l'énergie pouvant se retrouver au final dans le mouvement de l'objet qu'on a poussé, sous forme de vibrations chaotiques (énergie thermique), ou de déformations (plasticité).

Revenons sur les boules qui vont et viennent d'un sens à l'autre , comment ça se fait qu'une force appliquée donne une compression comme ça ? J'applique une force et la matière réagit de façon complexe , vous ne trouvez pas'?

Mais c'est bien ce que je disais : une force est appliquée aux molécules de surface. Donc elles s'enfoncent (compression). Mais comme je le disais aussi, pour des matériaux réels, c'est complexe. Très complexe.

Mais non, il ne faut pas "admettre que le monde fonctionne comme ça". Bien sûr, il y a des choses qu'on ne sait pas encore (ce serait trop beau ). Mais on peut quand même creuser et lorsqu'on veut vraiment aller plus loin, potasser la théorie, les équations, etc...

[Chmiman]

Merci de vos explications ! Mach3 , j'ai pris le temps de bien lire vos explications ( deedee aussi ) et j'ai bien compris car vous expliquez vraiment bien , je voulais cependant revenir sur un point Mach3, quand vous parlez des forces répulsives qui vont faire accélérer l'atome A, vers le sens de la force appliquée donc , eh bien est ce que la force appliquée par l'humain au départ ne compenserait pas cette force qui tend à faire accélérer vers la gauche l'atome A ?


Deedee, est ce qu'il y a des cas où l'énergie cinétique est assez grande pour éviter à la particule d'osciller ? En gros pour éviter cette force de rappel !

[Chmiman]

Précision pour la question pour Mach3: je considère que la force que j'applique est constante , car on peut considérer des frottements donc la force exercée par l'humain est continue , car je ne sais pas si j'ai été clair ..

[Deedee81]

Salut,

Deedee, est ce qu'il y a des cas où l'énergie cinétique est assez grande pour éviter à la particule d'osciller ? En gros pour éviter cette force de rappel !

Oui, tout à fait. Dans ce cas la liaison est brisée et la particule s'échappe.

[Chmiman]

Merci beaucoup de vos explications , j'attends de voir si Mach 3 a une reponse à ma question mais globalement j'ai saisi le principe

[emanuel777]

Bonsoir ,


Actuellement , on a des lois qui décrivent les mouvements , ça marche bien !

Mais comment expliquer la force que j'exerce sur un objet au niveau moléculaire , atomique meme ! ?

Quand j'appuie sur l'extrémité d'un clou ( exemple au hasard ) j'appuie sur la tete et la force se ressent sur la pointe , c'est pas aisé à comprendre , y a t'il eu des études sur cela , l'étude des forces et dès mouvements au niveau moléculaire , comment les molecules bougent sous l'effet d'une force ou encore comment la transmette t'elle intégralement , car une force est censée être la meme sur la pointe que sur la tete !

Ces questions me tiennent vraiment à coeur , mais je sais pas si c'est de la paranoïa ou de la curiosité scientifique à ce niveau de questions ..

tu ne ressens pas la pointe du clou ?

écoute: j'ignores s'il y a des études scientifiques à ce sujet: mais quand j'essaes d'enfoncer un clou avec le bout de mon doigt dans une planche en bois, même sans regader, je sens la pointe du clou, la résistance des fibres du bois etc...

alors: ta question me surprends là...

[Deedee81]

Salut,

tu ne ressens pas la pointe du clou ?

écoute: j'ignores s'il y a des études scientifiques à ce sujet: mais quand j'essaes d'enfoncer un clou avec le bout de mon doigt dans une planche en bois, même sans regader, je sens la pointe du clou, la résistance des fibres du bois etc...

alors: ta question me surprends là...

Il ne demandait pas si on le sent. Il demandait quelle est le mécanisme au nouveau moléculaire.

[EauPure]

au niveau moléculaire, ça vibre, qui n'a jamais vu un clou vibrer après un coup violant sur sa tête ?
ou entendu son cri sonnant comme une cloche

[Deedee81]

ou entendu son cri sonnant comme une cloche

Le cri du clou ?

[Chmiman]

On ne peut pas démontrer scientifiquement une chose avec une ressenti de notre corps . Mais la démonstration s'est faite par le constat que le clou était soit immobile soit en MRU , donc on pouvait conclure . Apres le mécanisme moléculaire il est complexe je trouve .

[Deedee81]

Apres le mécanisme moléculaire il est complexe je trouve .

Ce n'est pas si étonnant. Rien que pour décrire en détail les propriétés physiques des matériaux (avec physique statistique, MQ et tout et tout) faudrait plusieurs gros bouquins.

[Dynamix]

tu ne ressens pas la pointe du clou ?

Si tu sens la point du clou c' est qu' il est à l' envers .
La pointe doit être coté planche .

[Deedee81]

Salut,

Si tu sens la point du clou c' est qu' il est à l' envers .
La pointe doit être coté planche .

C'est peut-être un fakir.