1Décrire le mouvement d’un système
Définition. Le système étudié est modélisé par un point, en général son centre ; son mouvement n’a de sens que dans un référentiel choisi (terrestre, géocentrique, héliocentrique), où la trajectoire est l’ensemble de ses positions successives. Sur une chronophotographie, les positions sont enregistrées à intervalles de temps égaux : correspond à la date .
Définition. Le vecteur vitesse à la date est tangent à la trajectoire en , orienté dans le sens du mouvement, et sa valeur (en ) se calcule à partir des positions voisines :
Méthode — représenter un vecteur vitesse. tracer la flèche à partir de , avec une échelle des vitesses annoncée ( par exemple) ; convertir d’abord les longueurs de la figure en distances réelles.
2Le vecteur variation de vitesse
Définition. Entre deux dates voisines et , le vecteur variation de vitesse est
Méthode — construire . reporter les deux vecteurs vitesse à partir d’un même point ; est le vecteur qui joint l’extrémité de à l’extrémité de . Sa valeur se mesure ensuite avec l’échelle des vitesses.
Figure 1 — a. Construction de . b. Mouvement circulaire uniforme : et ont la même valeur, et le vecteur , construit en , est dirigé vers le centre O.
3Deuxième loi de Newton : la relation approchée
Théorème. Pour un système de masse constante, entre deux dates voisines séparées de :
Propriété. L’approximation est d’autant meilleure que est petit. Le vecteur a la même direction et le même sens que la somme des forces. On lit la relation dans les deux sens : des forces connues donnent , une construction de donne les caractéristiques de .
Propriété — principe d’inertie. : le vecteur vitesse est constant, le mouvement est rectiligne uniforme (ou le système est au repos). À somme des forces égale, est d’autant plus petite que la masse est grande : la masse mesure l’inertie du système.
4Les mouvements de référence
- Rectiligne uniforme : constant, , donc (forces qui se compensent).
- Rectiligne accéléré : de même sens que le mouvement ; ralenti : de sens contraire. est colinéaire au mouvement.
- Chute libre (seul le poids agit) : , donc est vertical vers le bas, de valeur , indépendante de la masse (). C’est encore vrai pour un mouvement parabolique (projectile lancé obliquement) : reste vertical vers le bas alors que change de direction.
- Circulaire uniforme : la valeur de la vitesse est constante mais le vecteur vitesse tourne ; , donc , est dirigé vers le centre (figure 1b) : la force est centripète.
Méthode — avec Python. à partir des listes de coordonnées : vx[i] = (x[i+1]-x[i-1])/(2*tau) (idem vy), puis et par différence, enfin .
5Savoir-faire du chapitre
- Calculer une vitesse sur une chronophotographie (échelles) et la représenter par une flèche.
- Construire entre deux dates voisines et déterminer sa valeur.
- Déduire de la direction, le sens et la valeur de , ou l’inverse à partir d’un inventaire des forces.
- Reconnaître un mouvement uniforme, accéléré, ralenti, une chute libre, un mouvement circulaire uniforme.
- Justifier le rôle de la masse (inertie) pour deux systèmes soumis aux mêmes forces.
6Exemples types
Un caillou est lancé verticalement vers le haut à ; il est en chute libre (). Alors est dirigé vers le bas : pendant , , donc la vitesse vaut ; le caillou s’arrête au bout de . Une bille de lancée ainsi suit le même mouvement : ne dépend pas de .
Une voiture de roule en ligne droite : puis après . Les deux vecteurs vitesse ont même direction et même sens, donc est opposé au mouvement et . Ainsi , force horizontale dirigée vers l’arrière, du même ordre que le poids . Chargée à et freinant avec la même force, elle ne perdrait que : elle s’arrête moins vite.
Une nacelle de masse décrit un cercle de rayon et repasse au même point toutes les : . On compare et , séparées de ; les positions étant espacées de , les deux vecteurs font un angle de : le triangle de construction est équilatéral, , dirigé vers O. D’où , force centripète exercée par le bras du manège.
- Confondre et : n’est pas tangent à la trajectoire ; sa direction est celle de .
- Écrire (différence des valeurs) dans un mouvement courbe : on soustrait les vecteurs. En mouvement circulaire uniforme, les valeurs sont égales mais .
- Diviser par au lieu de quand , ou oublier l’échelle des longueurs.
- Croire qu’un corps lourd tombe plus vite : en chute libre, ne dépend pas de la masse.