Newton
Unité SI dérivée · grandeur : force
01 · Définition
La force qui communique à une masse d’un kilogramme une accélération d’un mètre par seconde carrée. Grandeur modeste : c’est à peu près la force qu’exerce une pomme moyenne posée dans la paume.
La définition reprend directement la deuxième loi de la mécanique et n’exige donc ni étalon ni banc de vérification : le newton est entièrement fixé par le kilogramme, le mètre et la seconde. De là vient aussi la confusion que l’unité est appelée à lever. La masse est une propriété du corps, elle ne change nulle part dans l’Univers ; le poids est la force avec laquelle le corps appuie sur son support, et il dépend de l’endroit où le corps se trouve. Un kilogramme reste un kilogramme sur la Lune, mais les newtons y deviennent six fois moindres. Tant que les deux grandeurs s’appelaient kilogrammes, il fallait garder la différence en tête ; le newton l’a portée dans le symbole.
Le mouvement uniforme n’a besoin d’aucune force : un chariot que rien ne freine roule tout seul. Les newtons servent à changer la vitesse ou à retenir un corps qui tomberait. Un newton porte un kilogramme à un mètre par seconde en une seconde ; dix newtons accélèrent le même kilogramme dix fois plus vite, ou bien dix kilogrammes au même rythme — dans la deuxième loi, masse et accélération sont à égalité.
02 · Conversion
Newtons, kilogrammes-force et livres-force
Tous les coefficients sont exacts par définition : le kilogramme-force et la livre-force sont fixés par l’accélération normale de la pesanteur, et la dyne par le centimètre et le gramme.
Le kilogramme-force est défini comme le poids d’un kilogramme sous l’accélération normale de la pesanteur, 9,806 65 mètre par seconde carrée. Le nombre est conventionnel : l’accélération réelle va de 9,78 à l’équateur à 9,83 au pôle, si bien qu’une même masse appuie différemment sur la balance à Quito et à Mourmansk. Les balances industrielles sont donc étalonnées sur leur lieu d’installation.
| Unité | Nom | Valeur | Où on la rencontre |
|---|---|---|---|
| N | newton | 1 | écriture de base de la force dans le SI |
| kN | kilonewton | 0,001 | bâtiment, poussée, charges |
| MN | méganewton | 1·10⁻⁶ | fusées, presses, ponts |
| mN | millinewton | 1 000 | mesures de laboratoire |
| µN | micronewton | 1·10⁶ | micromécanique, voile solaire |
| kgf | kilogramme-force | 0,101972 | poids d’un kilogramme sous g₀ |
| gf | gramme-force | 101,972 | balances de pharmacie et de laboratoire |
| tf | tonne-force | 0,000101972 | grues, poussée des moteurs dans le langage courant |
| lbf | livre-force | 0,224809 | technique anglophone |
| ozf | once-force | 3,59694 | petits efforts, ressorts |
| dyne | dyne | 100 000 | système CGS, physique du XIXᵉ siècle |
| poundal | poundal | 7,23301 | système absolu anglais |
| sn | sthène | 0,001 | système MTS, France 1919–1961 |
Le poids est calculé sous l’accélération normale de la pesanteur 9,806 65 m/s² ; l’accélération, pour une masse d’une tonne.
03 · Ordres de grandeur
du grain de poussière à la fusée au décollageUn newton — une pomme dans la paume
04 · Instruments de mesure
Avec quoi on mesure la force
La voie la plus directe : la loi de Hooke lie l’allongement à la force de façon linéaire, et l’on peut graduer l’échelle en newtons sans intermédiaire. L’exactitude est bornée par le fluage élastique du ressort et par la température ; dans l’industrie, l’appareil est resté un instrument grossier.
La grille collée sur le corps d’épreuve s’étire avec le métal et sa résistance varie de quelques centièmes de pour cent. Un pont de mesure en fait une tension — ainsi fonctionnent toutes les balances commerciales et industrielles, de la balance de cuisine au pont-bascule.
Les instituts nationaux de métrologie réalisent le newton avec des charges de masse connue suspendues dans un champ de pesanteur dont l’accélération est mesurée. Les plus grandes installations développent plusieurs méganewtons et servent à étalonner les capteurs des laboratoires d’essais.
Sous charge, le quartz engendre lui-même une charge électrique, et la réponse suit un choc de quelques microsecondes. Ces capteurs mesurent l’effort de coupe, le recul et les essais de choc ; ils ne tiennent pas la charge statique — la charge s’écoule.
05 · Règles d’écriture
N majuscule, sans point
Le symbole vient d’un nom de personne : sa première lettre est donc une majuscule, tandis que le nom de l’unité s’écrit en minuscule dans le texte — un newton, mais N. Le symbole russe est Н, facile à confondre dans un texte mixte avec le H latin du henry. Entre le nombre et le symbole on met une espace insécable.
Le préfixe kilo s’écrit en minuscule : kN et non KN. Le moment d’une force s’exprime en newton-mètre et, bien que sa dimension soit celle du joule, on ne peut substituer l’un à l’autre : le travail et le moment sont des grandeurs différentes. Le kilogramme-force et la tonne-force ont été admis dans la technique jusqu’aux années quatre-vingt, se rencontrent dans les anciens plans et manuels, et ne sont plus recommandés par l’ISO 80000-4.
06 · Unités voisines
Le newton est à la racine de toute une touffe d’unités dérivées : divisez-le par une aire, vous avez le pascal ; multipliez-le par un chemin, vous avez le joule.
newton par mètre carré
force
newton-mètre de travail
Dans les fiches voisines de Simetrium : pascal pour la pression, joule pour le travail, watt pour la puissance et kilogramme — l’unité de base par laquelle le newton est défini. Parmi les unités hors SI se tiennent tout près livre-force et pied-livre, qui vivent dans la technique anglophone.
07 · Section historique
Avec quoi on mesurait la force avant le newton
La deuxième loi du mouvement a été formulée sans aucune unité de force : Newton écrivait des proportions, non des nombres. Mesurer la force dans quelque chose de défini n’est devenu nécessaire qu’avec les machines et les calculs d’ingénieur.
Les ingénieurs comptaient en kilogrammes-force — le poids d’une masse, saisissable à l’œil. Les physiciens ont préféré le système centimètre-gramme-seconde avec la dyne, cent mille fois plus petite que le newton. Il fallait traduire les calculs d’un camp pour l’autre.
La neuvième Conférence générale des poids et mesures a retenu le nom de newton pour la force qui porte un kilogramme à un mètre par seconde en une seconde. En 1960, l’unité est entrée dans le Système international avec les autres unités dérivées.
Le kilogramme-force a quitté les documents mais est resté dans la parole : on continue de donner la poussée d’un moteur en tonnes et l’effort d’une presse en kilogrammes. Le peson d’un magasin affiche une masse alors qu’il mesure une force, et il est réglé sur l’accélération locale de la pesanteur.
Le newton ne se réalise pas par un étalon — seulement par le calcul
Le kilogramme avait un prototype, le mètre un trait sur une règle de platine ; le newton n’a pas d’objet-modèle et ne peut en avoir. L’unité est définie par trois unités de base et se réalise par le calcul : on suspend une charge de masse connue et on la multiplie par l’accélération de la pesanteur, mesurée sur place au millionième près. D’où le trait propre à la métrologie des forces : un étalon national de force est attaché à un point géographique. Déplacer la machine dans une autre ville, c’est mesurer de nouveau l’accélération locale, car elle varie avec la latitude, l’altitude et jusqu’à la densité des roches sous les fondations. Une montagne de deux cents mètres près du laboratoire déplace le résultat au sixième chiffre. La balance à fléau ignore tout de ce souci : elle compare des masses, et la pesanteur se simplifie des deux côtés — c’est pourquoi la pesée est plus ancienne que la mesure de force de plusieurs millénaires.
Catalogue · unités de mesure
Une fiche pour chaque grandeur
Sept unités de base du SI, vingt-deux unités dérivées portant un nom propre et les unités hors système dont ni la technique ni la vie quotidienne ne se passent. Chacune a sa feuille : définition, conversion, instruments, règles d’écriture. En 4 langues.
Unités SI dérivées portant un nom propre
fiche du newton ouverteUnités de base du SI
en terre cuite — kilogramme, mètre et seconde, dont le newton est composéUnités hors système
en terre cuite — unités de force d’autres systèmesLangue de la fiche
4 langues. Le symbole N est international ; le nom suit le patronyme et change donc peu : newton, Newton, ньютон, ニュートン.