1Système, référentiel, relativité du mouvement
Définition. Le système est l’objet dont on étudie le mouvement. On le modélise le plus souvent par un point, son centre, dont on suit les positions successives.
Définition. Le référentiel est l’objet par rapport auquel on décrit le mouvement ; on lui associe une horloge. Référentiels usuels : terrestre (le sol), géocentrique (centre de la Terre), héliocentrique (centre du Soleil).
Propriété — relativité du mouvement. La trajectoire et la vitesse d’un même système dépendent du référentiel choisi. Décrire un mouvement sans préciser le référentiel n’a donc aucun sens.
Remarque. On choisit aussi une échelle de longueur et une échelle de durée adaptées : on n’étudie pas le mouvement d’une planète et celui d’une bille avec les mêmes unités.
2Trajectoire
Définition. La trajectoire est l’ensemble des positions successives occupées par le point étudié, dans le référentiel choisi. Elle est rectiligne (une droite), circulaire (un cercle ou un arc de cercle) ou curviligne (une courbe quelconque).
3Vitesse moyenne
Définition. La vitesse moyenne d’un système qui parcourt la distance pendant la durée est
Notation. : pour passer des aux , on divise par ; dans l’autre sens, on multiplie par .
4Vecteur déplacement et vecteur vitesse
Définition. Sur une chronophotographie, les positions , , , … sont enregistrées à intervalles de temps égaux, de durée .
Définition. Le vecteur déplacement entre deux positions successives est : il part de et arrive en .
Définition. Le vecteur vitesse moyenne entre et est ; pour petit, il approche le vecteur vitesse au point :
Caractéristiques : origine ; direction celle de (pratiquement tangente à la trajectoire) ; sens du mouvement ; valeur , en .
Figure 1 — Mouvement curviligne accéléré. a la direction et le sens de ; sa longueur dépend de l’échelle des vitesses.
Méthode — tracer un vecteur vitesse. mesurer sur le document, la convertir en distance réelle grâce à l’échelle des longueurs, diviser par pour obtenir , puis tracer la flèche depuis en utilisant l’échelle des vitesses (par exemple pour ).
5Nature du mouvement
Définition. Un mouvement est uniforme si la valeur de la vitesse reste constante, accéléré si elle augmente, ralenti (ou décéléré) si elle diminue. Sur une chronophotographie prise à intervalles égaux, les positions sont respectivement équidistantes, de plus en plus espacées, de plus en plus resserrées.
Propriété. Le vecteur vitesse varie dès que sa valeur change ou que sa direction change. Ainsi, dans un mouvement circulaire uniforme, la valeur de la vitesse est constante mais sa direction tourne : le vecteur vitesse varie. Seuls le mouvement rectiligne uniforme et l’immobilité (vecteur vitesse nul) ont un vecteur vitesse qui ne varie pas.
- Vitesse moyenne : , d’où et ( en , en , en ).
- Conversion : • • .
- Vecteur vitesse : , de valeur (distance réelle, pas la distance mesurée sur le document).
- Marche • sprinteur • autoroute • TGV • son dans l’air • Terre autour du Soleil • lumière .
6Savoir-faire du chapitre
- Choisir un système et un référentiel adaptés ; justifier la relativité d’un mouvement en changeant de référentiel.
- Nommer une trajectoire (rectiligne, circulaire, curviligne) dans un référentiel donné.
- Calculer une vitesse moyenne et convertir des en et inversement.
- Exploiter une chronophotographie : tracer un vecteur déplacement, calculer et tracer un vecteur vitesse à l’échelle.
- Reconnaître un mouvement uniforme, accéléré ou ralenti ; dire si le vecteur vitesse varie.
7Exemples types
Un train parcourt en : , soit .
Les positions sont prises toutes les ; le document est à l’échelle et on mesure sur la photo. La distance réelle vaut , donc . Avec l’échelle pour , on trace en une flèche de , portée par la droite et dirigée vers .
Un voyageur assis dans un train qui roule en ligne droite à vitesse constante est immobile dans le référentiel du train, mais en mouvement rectiligne uniforme dans le référentiel terrestre. Une valve de la roue décrit, elle, un cercle dans le référentiel du train et une courbe dans le référentiel terrestre.
Une chronophotographie en vraie grandeur (échelle ), prise toutes les , donne , , , alignées. Les positions s’espacent : le mouvement est rectiligne accéléré. Valeurs : , , .
- Décrire un mouvement sans indiquer le référentiel : « la valve tourne » n’a de sens que dans le référentiel du train.
- Multiplier par pour convertir des en : c’est l’inverse, on divise.
- Confondre la trajectoire (l’ensemble des positions) et le vecteur vitesse (tangent à la trajectoire en un point).
- Croire qu’un mouvement circulaire uniforme a un vecteur vitesse constant : sa direction change sans cesse.
- Tracer le vecteur vitesse depuis le mauvais point ou sans échelle des vitesses : sa longueur n’est pas .