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mécanique (PCSI) · Chapitre 1 · Application directe du cours

Le voyageur qui marche dans le train

Cinématique du point · niveau 2

Énoncé

Dans un TGV lancé à sur une voie rectiligne, un passager remonte le couloir vers l'avant à par rapport au wagon. Sur le quai, un ami regarde le train défiler. On note le référentiel du quai et celui du wagon, l'axe étant orienté dans le sens de la marche.

  • Le passager se dit immobile par rapport à son siège : a-t-il tort ? Pourquoi la notion de mouvement exige-t-elle de préciser un référentiel ?
  • Exprimer littéralement la vitesse du passager par rapport au quai en fonction de et .
  • Calculer la norme de lorsque le passager marche vers l'avant, puis lorsqu'il revient vers l'arrière à la même allure.
  • Le passager laisse tomber son téléphone. Décrire qualitativement la trajectoire de la chute vue du wagon, puis vue du quai.

Corrigé

1. Le passager est bien immobile par rapport au wagon (sa position dans ne change pas), mais il avance vite par rapport au quai. Aucun des deux n'a tort : le mouvement n'est pas une propriété absolue du point, il dépend du référentiel choisi pour repérer ses positions successives. Parler de « mouvement » sans préciser le référentiel n'a pas de sens.

2. La composition des vitesses s'écrit, en additionnant le déplacement du passager dans le train et celui du train sur le sol :

3. Convertissons la vitesse du train : . Les deux vitesses sont colinéaires à . Vers l'avant : , donc

Vers l'arrière : , donc

On retrouve l'intuition : marcher dans le sens de la marche ajoute les vitesses, marcher à contresens les retranche.

4. Vu du wagon, le téléphone n'a pas de vitesse horizontale initiale : sa trajectoire est un segment vertical. Vu du quai, le téléphone possède en plus la vitesse horizontale du train au moment du lâcher : il garde cette composante horizontale tout en tombant, sa trajectoire est une parabole orientée vers l'avant. La même chute, deux trajectoires différentes selon le référentiel.

Important

Ce que ça nous apprend. Vitesse et trajectoire ne sont jamais « absolues » : elles changent avec le référentiel. C'est pourquoi, dans un avion en vol stabilisé, on remplit son verre comme au sol — par rapport à la cabine, rien ne bouge.

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