Description d'un Mouvement
Cours · physique (seconde), chapitre 2 · seconde générale, physique-chimie · le début du chapitre, la suite sur Adloun
Ce chapitre introduit la cinématique, qui est la partie de la physique décrivant les mouvements des objets sans se soucier des causes (les forces) qui les provoquent. Nous définirons les notions de système, de référentiel d'étude, de trajectoire, et nous analyserons les caractéristiques du vecteur vitesse ainsi que les différents types de mouvements.
2.1 Système et Référentiel d'Étude
Pour décrire le mouvement d'un objet avec rigueur, le physicien doit obligatoirement commencer par préciser le système d'étude et le référentiel choisi.
2.1.1 Le système d'étude
- Le système est l'objet (ou le groupe d'objets) dont on étudie le mouvement.
- Pour simplifier l'étude d'un système réel complexe (qui peut tourner sur lui-même, se déformer), on le modélise par un unique point matériel situé en son centre de gravité et concentrant toute sa masse. On ignore alors ses mouvements de rotation ou ses déformations.
2.1.2 Le référentiel
Le mouvement d'un système est relatif : il dépend de la position et de l'état de l'observateur. Un objet peut être en mouvement pour un observateur et immobile pour un autre.
Un référentiel est un solide de référence indéformable par rapport auquel on étudie le mouvement du système. Pour localiser le système au cours du temps, on munit le référentiel :
- D'un repère d'espace (des axes gradués permettant de mesurer les coordonnées du point ).
- D'un repère de temps (une horloge pour dater les événements et calculer les durées).
- Le référentiel terrestre : Lié à un solide de la Terre (le sol, le laboratoire). Il est utilisé pour étudier les mouvements de courte durée à la surface terrestre (ex : chute d'une bille, course d'un athlète).
- Le référentiel géocentrique : Constitué par le centre de la Terre et trois axes dirigés vers trois étoiles lointaines fixes. La Terre tourne sur elle-même dans ce référentiel. Il est utilisé pour étudier le mouvement des corps gravitant autour de la Terre (ex : la Lune, les satellites artificiels).
- Le référentiel héliocentrique (de Kepler) : Constitué par le centre du Soleil et trois axes dirigés vers trois étoiles lointaines fixes. Il est utilisé pour étudier le mouvement des corps gravitant autour du Soleil (ex : les planètes du système solaire, les sondes spatiales interplanétaires).
Méthode : Choisir un référentiel d'étude
Avant toute description d'un mouvement, on choisit le référentiel en suivant ces étapes :
- Identifier le système dont on étudie le mouvement (l'objet mobile).
- Repérer l'observateur par rapport auquel on veut décrire le mouvement (le sol, un véhicule, le centre de la Terre…).
- Associer un solide de référence fixe à cet observateur : ce solide indéformable définit le référentiel.
- Vérifier que le référentiel est adapté à l'étude : terrestre pour un mouvement à la surface du sol, géocentrique pour un satellite, héliocentrique pour une planète.
Toute la description qui suit (trajectoire, vitesse, nature du mouvement) n'a de sens que relativement à ce référentiel.
Un même mouvement est décrit différemment selon le référentiel choisi : il n'existe pas de mouvement « absolu ». Un passager assis dans un train est immobile dans le référentiel du train, mais en mouvement dans le référentiel terrestre (le quai). De même, la valve d'une roue de vélo décrit un cercle dans le référentiel du cycliste, mais une courbe ondulée (une cycloïde) dans le référentiel terrestre. Préciser le référentiel est donc obligatoire : une phrase comme « la vitesse de la balle est de » n'a de sens que si l'on sait par rapport à quoi.
La même valve, deux trajectoires : la forme de la trajectoire dépend du référentiel choisi.
Exercices du chapitre
- Le passager du TGV corrigé
- Trois études, trois référentiels corrigé
- Le skateur et la gommette de sa roue corrigé
- La clé qui tombe dans la voiture corrigé
- Le sprinter et ses trois phases corrigé
- Quatre conversions de vitesse corrigé