Mouvements et forces

 

I. Relativité du mouvement

1. Examen d'une situation problème.

Examinons la situation schématisée ci-dessous:

A la question "Quel est le mouvement du passager B?", il est possible d'apporter plusieurs réponses aussi valables les unes que les autres. Par exemple:

*    Le passager B est immobile par rapport au bus.

*    Le passager B se déplace suivant une droite par rapport au trottoir.

La notion de mouvement est donc relative à l'objet par rapport auquel on l'étudie.

 

2. Notion de référentiel

a. Définition

Un référentiel est un corps par rapport auquel le physicien étudie le mouvement d'autres corps.

b. Exemples

Dans la situation examinée plus haut :

*    B est immobile par rapport au référentiel Bus

*    B est en mouvement par rapport au référentiel Trottoir.

c. Exemples de référentiel

*    Le référentiel terrestre : c'est le référentiel constitué par la Terre (ou par tout ce qui est fixe par rapport à la Terre). Ce référentiel est bien adapté à l'étude des mouvements de courte durée des objets sur la Terre.

*    Le référentiel géocentrique : c'est le référentiel constitué par un corps solide fictif, de même dimensions et de même centre que la Terre mais ne tournant pas sur lui-même. Ce référentiel est bien adapté à l'étude du mouvement de la Lune et des satellites de la Terre.

*    Le référentiel héliocentrique : c’est le référentiel défini par le centre du Soleil et des étoiles fixes. Il est utilisé pour étudier le mouvement des planètes.

 

3. Repérer dans le temps

Pour étudier le mouvement d'un corps, il faut aussi associer une date à chaque position repérée dans le référentiel choisi.

Pour cela, il faut une horloge et un instant origine (date t=0). La valeur mesurée sur l'horloge à chacune des positions indique alors la date t correspondante (en secondes).

Pour repérer un événement dans le temps, il faut choisir une horloge et origine des dates.

 

II. Caractéristiques d'un mouvement

1. Trajectoire

a. Définition

La trajectoire d'un point mobile est l'ensemble des positions successives occupées par ce point au cours du mouvement.

Remarque : la trajectoire dépend du référentiel utilisé

b. Exemples

Considérons le mouvement d'une valve sur la jante d'une roue de vélo lorsque celle-ci roule, sans glisser, sur une route horizontale. La situation est schématisée ci-dessous:

La trajectoire de la valve est représentée:

*    en vert par rapport  au moyeux (référentiel axe de la roue)

*    en rouge par rapport à la Terre (référentiel terrestre).

 

2. Vitesse

a. Définition

Dans un référentiel choisi, la vitesse moyenne Vm d'un point mobile est le rapport entre la distance d parcourue par le point mobile et la durée Δt MathType@MTEF@5@5@+=feaafiart1ev1aqatCvAUfeBSjuyZL2yd9gzLbvyNv2CaerbwvMCKfMBHbqedmvETj2BSbqefm0B1jxALjhiov2DaerbuLwBLnhiov2DGi1BTfMBaebbnrfifHhDYfgasaacH8WjY=vipgYlh9vqqj=hEeeu0xXdbba9frFj0=OqFfea0dXdd9vqaq=JfrVkFHe9pgea0dXdar=Jb9hs0dXdbPYxe9vr0=vr0=vqpWqaaeaabaGaaiaacaqabeaadaabauaaaOqaaiabfs5aejaadshaaaa@3A91@  du déplacement :

V m = d Δt MathType@MTEF@5@5@+=feaafiart1ev1aqatCvAUfeBSjuyZL2yd9gzLbvyNv2CaerbwvMCKfMBHbqedmvETj2BSbqefm0B1jxALjhiov2DaerbuLwBLnhiov2DGi1BTfMBaebbnrfifHhDYfgasaacH8WjY=vipgYlh9vqqj=hEeeu0xXdbba9frFj0=OqFfea0dXdd9vqaq=JfrVkFHe9pgea0dXdar=Jb9hs0dXdbPYxe9vr0=vr0=vqpWqaaeaabaGaaiaacaqabeaadaabauaaaOqaamaaL4babaGaamOvamaaBaaaleaacaWGTbaabeaakiabg2da9maalaaabaGaamizaaqaaiabfs5aejaadshaaaaaaaaa@3EDA@  avec { V m : vitesse moyenne (m .s -1 ) d: distance parcourue (m) Δt: durée du parcourt (s) MathType@MTEF@5@5@+=feaafiart1ev1aqatCvAUfeBSjuyZL2yd9gzLbvyNv2CaerbwvMCKfMBHbqedmvETj2BSbqefm0B1jxALjhiov2DaerbuLwBLnhiov2DGi1BTfMBaebbnrfifHhDYfgasaacH8WjY=vipgYlh9vqqj=hEeeu0xXdbba9frFj0=OqFfea0dXdd9vqaq=JfrVkFHe9pgea0dXdar=Jb9hs0dXdbPYxe9vr0=vr0=vqpWqaaeaabaGaaiaacaqabeaadaabauaaaOqaamaaceaaeaqabeaacaqGwbWaaSbaaSqaaiaab2gaaeqaaOGaaeOoaiaabccacaqG2bGaaeyAaiaabshacaqGLbGaae4CaiaabohacaqGLbGaaeiiaiaab2gacaqGVbGaaeyEaiaabwgacaqGUbGaaeOBaiaabwgacaqGGaGaaeikaiaab2gacaqGUaGaae4CamaaCaaaleqabaGaaeylaiaabgdaaaGccaGGPaaabaGaaeizaiaabQdacaqGGaGaaeizaiaabMgacaqGZbGaaeiDaiaabggacaqGUbGaae4yaiaabwgacaqGGaGaaeiCaiaabggacaqGYbGaae4yaiaab+gacaqG1bGaaeOCaiaabwhacaqGLbGaaeiiaiaabIcacaqGTbGaaeykaaqaaiabfs5aejaabshacaqG6aGaaeiiaiaabsgacaqG1bGaaeOCaiaabMoacaqGLbGaaeiiaiaabsgacaqG1bGaaeiiaiaabchacaqGHbGaaeOCaiaabogacaqGVbGaaeyDaiaabkhacaqG0bGaaeiiaiaabIcacaqGZbGaaeykaaaacaGL7baaaaa@7CD5@

Remarque : On utilise aussi fréquemment le kilomètre par heure ( km.h-1

Exemple: Soit une vitesse V m =36km. h 1 MathType@MTEF@5@5@+=feaafiart1ev1aqatCvAUfeBSjuyZL2yd9gzLbvyNv2CaerbwvMCKfMBHbqedmvETj2BSbqefm0B1jxALjhiov2DaerbuLwBLnhiov2DGi1BTfMBaebbnrfifHhDYfgasaacH8WjY=vipgYlh9vqqj=hEeeu0xXdbba9frFj0=OqFfea0dXdd9vqaq=JfrVkFHe9pgea0dXdar=Jb9hs0dXdbPYxe9vr0=vr0=vqpWqaaeaabaGaaiaacaqabeaadaabauaaaOqaaiaadAfadaWgaaWcbaGaamyBaaqabaGccqGH9aqpcaaIZaGaaGOnaiaaysW7caWGRbGaamyBaiaac6cacaWGObWaaWbaaSqabeaacqGHsislcaaIXaaaaaaa@439B@ . Pour exprimer V m MathType@MTEF@5@5@+=feaafiart1ev1aqatCvAUfeBSjuyZL2yd9gzLbvyNv2CaerbwvMCKfMBHbqedmvETj2BSbqefm0B1jxALjhiov2DaerbuLwBLnhiov2DGi1BTfMBaebbnrfifHhDYfgasaacH8WjY=vipgYlh9vqqj=hEeeu0xXdbba9frFj0=OqFfea0dXdd9vqaq=JfrVkFHe9pgea0dXdar=Jb9hs0dXdbPYxe9vr0=vr0=vqpWqaaeaabaGaaiaacaqabeaadaabauaaaOqaaiaadAfadaWgaaWcbaGaamyBaaqabaaaaa@3A2B@  en mètre par seconde, on écrira V m = 36× 10 3 3600 =10m. s 1 MathType@MTEF@5@5@+=feaafiart1ev1aqatCvAUfeBSjuyZL2yd9gzLbvyNv2CaerbwvMCKfMBHbqedmvETj2BSbqefm0B1jxALjhiov2DaerbuLwBLnhiov2DGi1BTfMBaebbnrfifHhDYfgasaacH8WjY=vipgYlh9vqqj=hEeeu0xXdbba9frFj0=OqFfea0dXdd9vqaq=JfrVkFHe9pgea0dXdar=Jb9hs0dXdbPYxe9vr0=vr0=vqpWqaaeaabaGaaiaacaqabeaadaabauaaaOqaaiaadAfadaWgaaWcbaGaamyBaaqabaGccqGH9aqpdaWcaaqaaiaaiodacaaI2aGaey41aqRaaGymaiaaicdadaahaaWcbeqaaiaaiodaaaaakeaacaaIZaGaaGOnaiaaicdacaaIWaaaaiabg2da9iaaigdacaaIWaGaaGjbVlaad2gacaGGUaGaam4CamaaCaaaleqabaGaeyOeI0IaaGymaaaaaaa@4CB2@

Remarque : un mouvement est dit uniforme si la valeur de sa vitesse est constante.

b. Importance du référentiel

La vitesse dépend du référentiel utilisé

 

 

III. Mouvement et force

1. Action et force

En physique une action (le fait d'agir) est modélisée, c'est à dire représentée, par une force. Celle-ci est caractérisée par sa direction, son sens et sa valeur. On la représente par une flèche (nous dirons plus tard un vecteur) dont la direction et le sens sont ceux de l'action et dont la longueur dépend de la valeur de la force c'est-à dire de l'intensité de l'action (plus la valeur de la force est grande plus la flèche représentant cette force est grande).

Sur le schéma ci-contre, le personnage A exerce sur le sac une action pour qu'il ne tombe pas. Cette action est modélisée par une force verticale, dirigée vers le haut, représentée par une flèche de même direction et de même sens. Sa sœur jumelle porte un sac plus lourd, la flèche est plus longue mais la direction et le sens sont les mêmes.

 

2. Action et mouvement

Le mouvement d'un corps peut être influencé de deux manières par une action mécanique. L'application d'une force (qui représente une action) peut se manifester par:

*    Modification de la trajectoire.

*    Modification de la vitesse.