Chapitre 2/4
Mouvement et Forces
Comment decrire le mouvement d'un objet ? Quelles sont les forces qui agissent sur lui ? Decouvre les bases de la mecanique : referentiel, trajectoire, vitesse et principe d'inertie.
1. Decrire un mouvement
En physique, decrire un mouvement necessite de preciser par rapport a quoi on observe ce mouvement. Un meme objet peut etre immobile ou en mouvement selon le point de vue.
Le referentiel
Un referentiel est un objet de reference par rapport auquel on etudie le mouvement. Il est muni d'un repere d'espace (axes x, y, z) et d'une horloge pour mesurer le temps.
Referentiel terrestre
Lie a la surface de la Terre. Utilise pour les mouvements quotidiens : chute d'un objet, deplacement d'un vehicule, marche d'un pieton.
Referentiel geocentrique
Centre de la Terre, axes fixes par rapport aux etoiles lointaines. Utilise pour le mouvement de la Lune ou des satellites.
Referentiel heliocentrique
Centre du Soleil, axes diriges vers des etoiles lointaines. Utilise pour etudier le mouvement des planetes.
Exemple concret : Un passager assis dans un train est immobile dans le referentiel du train, mais en mouvement dans le referentiel terrestre. Le mouvement depend toujours du referentiel choisi !
La trajectoire
La trajectoire est l'ensemble des positions successives occupees par un objet au cours du temps dans un referentiel donne. Elle depend du referentiel choisi.
Rectiligne
Ligne droite. Ex : voiture sur autoroute, chute libre verticale.
Circulaire
Cercle ou arc de cercle. Ex : aiguille d'horloge, satellite, manege.
Curviligne
Courbe quelconque. Ex : balle de tennis, trajectoire parabolique.
La vitesse
La vitesse traduit la rapidite du deplacement d'un objet. On distingue la vitesse moyenne et la vitesse instantanee.
Vitesse moyenne
v = d / t
v
vitesse (m/s)
d
distance (m)
t
duree (s)
Vitesse moyenne
Rapport de la distance parcourue sur la duree du trajet. Elle ne tient pas compte des variations de vitesse pendant le parcours.
Exemple : Un train parcourt 300 km en 2 h. v = 300 000 / 7 200 = 41,7 m/s (soit 150 km/h)
Vitesse instantanee
Vitesse a un instant precis. C'est ce qu'indique le compteur de vitesse d'une voiture. Mathematiquement, c'est la limite de la vitesse moyenne quand la duree tend vers zero.
Unite SI : le metre par seconde (m/s). En pratique on utilise souvent le km/h.
Conversion : Pour convertir des km/h en m/s, on divise par 3,6. Pour convertir des m/s en km/h, on multiplie par 3,6. Exemple : 90 km/h = 90 / 3,6 = 25 m/s.
2. Types de mouvements
On classe les mouvements selon l'evolution de la vitesse au cours du temps. Trois cas principaux se distinguent.
Mouvement uniforme
La vitesse reste constante au cours du temps. La trajectoire rectiligne uniforme est le mouvement le plus simple.
v = constante
d = v x t
Ex : voiture sur autoroute a vitesse constante, ISS en orbite
Mouvement accelere
La vitesse augmente au cours du temps. Les positions successives de l'objet sont de plus en plus espacees.
v augmente
Espacement croissant
Ex : chute libre, voiture qui accelere, bille sur plan incline
Mouvement decelere
La vitesse diminue au cours du temps (aussi appele mouvement ralenti). Les positions sont de plus en plus rapprochees.
v diminue
Espacement decroissant
Ex : voiture qui freine, balle lancee vers le haut
Chronophotographie : On peut etudier un mouvement a l'aide d'une chronophotographie (photos prises a intervalles de temps egaux). Si les points sont equidistants, le mouvement est uniforme. S'ils s'ecartent, il est accelere. S'ils se rapprochent, il est decelere.
3. Les forces
Une force est une action mecanique exercee par un objet sur un autre. Elle peut modifier le mouvement d'un objet (mise en mouvement, arret, deviation) ou le deformer.
Caracteristiques d'une force
Une force est representee par un vecteur. Elle possede quatre caracteristiques :
Point d'application
L'endroit ou s'exerce la force. Pour le poids, c'est le centre de gravite de l'objet. Pour une force de contact, c'est le point de contact.
Direction (droite d'action)
La droite sur laquelle s'exerce la force. Le poids est toujours vertical. La reaction du support est perpendiculaire a la surface.
Sens
Le sens dans lequel la force agit. Le poids est toujours dirige vers le bas (vers le centre de la Terre).
Intensite (valeur)
La "force" de la force, mesuree en Newton (N). Se mesure avec un dynamometre.
Types de forces
Forces de contact
Elles necessitent un contact physique entre les objets.
- - Reaction du support (R) : perpendiculaire a la surface
- - Frottements (f) : s'opposent au mouvement
- - Tension d'un fil (T) : le long du fil, vers l'attache
- - Force de poussee / traction : action de la main
- - Poussee d'Archimede : dans un fluide, vers le haut
Forces a distance
Elles agissent sans contact physique entre les objets.
- - Poids (P) : attraction de la Terre, vers le bas
- - Force gravitationnelle : attraction entre deux masses
- - Force electrique : entre charges electriques
- - Force magnetique : entre aimants ou courants
Le poids : une force particuliere
Le poids est la force d'attraction gravitationnelle exercee par la Terre sur un objet. Il est toujours dirige vers le centre de la Terre (verticalement vers le bas).
Formule du poids
P = m x g
P
poids (N)
m
masse (kg)
g
intensite de pesanteur (N/kg)
Valeur de g
Sur Terre : g = 9,81 N/kg (souvent arrondi a 10 N/kg). Cette valeur varie legerement selon le lieu (altitude, latitude).
Sur la Lune : g = 1,6 N/kg. Sur Mars : g = 3,7 N/kg.
Exemple de calcul
Un objet de masse m = 5 kg sur Terre :
P = m x g = 5 x 9,81 = 49,05 N
Le meme objet sur la Lune : P = 5 x 1,6 = 8 N. La masse est la meme, mais le poids change !
Ne confonds pas masse et poids ! La masse (en kg) est une propriete intrinseque de l'objet, elle ne change pas. Le poids (en N) est une force qui depend du lieu ou se trouve l'objet. Un objet a la meme masse sur la Terre et sur la Lune, mais son poids est 6 fois plus faible sur la Lune.
4. Le diagramme objet-interactions
Pour analyser les forces qui s'exercent sur un objet, on utilise un diagramme objet-interactions (DOI). Il permet de recenser toutes les interactions (forces) entre l'objet etudie et son environnement.
Methode en 4 etapes
Identifier le systeme etudie : l'objet dont on veut etudier le mouvement. Le placer au centre du diagramme.
Recenser les objets exterieurs qui interagissent avec le systeme : la Terre, le sol, l'air, un fil, la main, etc. Les placer autour.
Tracer les interactions : relier par un trait chaque objet exterieur au systeme. Distinguer contact (trait plein) et distance (trait pointille).
Nommer les forces : pour chaque interaction, nommer la force exercee sur le systeme et la representer avec ses 4 caracteristiques.
Exemple : un livre pose sur une table
- - Systeme : le livre
- - Interactions : Terre (distance) et table (contact)
- - Forces : poids P (vers le bas) et reaction du support R (vers le haut)
- - Le livre est immobile : les deux forces se compensent (P = R en intensite)
5. Le principe d'inertie (1ere loi de Newton)
Le principe d'inertie est la premiere loi de Newton. C'est un concept fondamental de la mecanique qui relie le mouvement d'un objet aux forces qui s'exercent sur lui.
Enonce du principe d'inertie
"Dans un referentiel galileen, si les forces qui s'exercent sur un objet se compensent (ou s'il n'est soumis a aucune force), alors cet objet est soit immobile, soit en mouvement rectiligne uniforme."
Reciproquement : si un objet est immobile ou en mouvement rectiligne uniforme, alors les forces qui s'exercent sur lui se compensent.
Forces compensees
Quand les forces se compensent, la somme des forces est nulle. L'objet garde son etat de mouvement.
- - Livre pose sur une table (immobile)
- - Voiture a vitesse constante sur route droite
- - Parachutiste en chute a vitesse constante
Forces non compensees
Quand les forces ne se compensent pas, le mouvement de l'objet est modifie (acceleration, ralentissement, changement de direction).
- - Balle en chute libre (poids > frottements)
- - Voiture qui accelere (moteur > frottements)
- - Voiture qui freine (frottements > moteur)
Attention : Un objet en mouvement rectiligne uniforme n'a PAS besoin d'une force pour continuer a avancer. C'est une idee fausse tres repandue ! Dans l'espace, loin de toute force, un objet continue tout droit a la meme vitesse indefiniment. C'est le principe d'inertie.
6. La gravitation universelle
La gravitation est une interaction attractive qui s'exerce entre tous les objets possedant une masse. C'est la force qui nous maintient au sol, qui fait tourner la Lune autour de la Terre et les planetes autour du Soleil.
Loi de gravitation universelle (Newton, 1687)
F = G x (mA x mB) / d²
F
force (N)
G
6,67 x 10&sup-;11 N.m²/kg²
mA, mB
masses (kg)
d
distance centres (m)
Proprietes de la gravitation
- - Toujours attractive (jamais repulsive)
- - S'exerce entre toutes les masses
- - Diminue avec le carre de la distance
- - Les deux corps exercent des forces de meme intensite (reciprocite)
Lien poids / gravitation
Le poids P = m x g est en realite une consequence de la gravitation. L'intensite de pesanteur g depend de la masse de l'astre et de la distance a son centre :
g = G x M_Terre / R_Terre²
A retenir
- Un mouvement se decrit toujours par rapport a un referentiel (terrestre, geocentrique ou heliocentrique)
- La vitesse moyenne se calcule avec v = d / t (en m/s ou km/h ; conversion : diviser ou multiplier par 3,6)
- Une force est un vecteur defini par 4 caracteristiques : point d'application, direction, sens et intensite (en Newton)
- Le poids est une force : P = m x g avec g = 9,81 N/kg sur Terre. Ne pas confondre masse (kg) et poids (N)
- Principe d'inertie : si les forces se compensent, l'objet est immobile ou en mouvement rectiligne uniforme
- La gravitation est une force attractive entre toutes les masses : F = G x mA x mB / d²
