Post on 04-Apr-2015
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Chapitre 4L’inertie et le mouvement à deux dimensions
4.0 Introduction
Après avoir analysé les mouvements à une dimension pour lesquels nous devions trouver la position, la vitesse et l’accélération des objets, nous entreprenons dans ce chapitre les mouvements en deux dimensions avec les mêmes questions.
Avez-vous des exemples de ce genre de mouvement?
Balle de golf, balle de base-ball, ballon de soccer, satellite, voiture dans une courbe, etc.…
Nous reprendrons les équations du m.r.u. et du m.r.u.a. qui prédisent la position, la vitesse et l’accélération de ces objets pour analyser leur mouvement en deux dimensions.
Comment allons-nous prédire ces mouvements?
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4.0 Introduction
Représentation du mouvement d’une balle de base-ball, par exemple
Pourquoi la balle décrit-elle un tel mouvement?
La balle, une fois lancée, est soumise à la force gravitationnelle et à la force de résistance de l’air
Avant de décrire le mouvement en 2D, nous devons préciser la notion (concept) d’inertie en revenant sur le mouvement rectiligne à vitesse constante.
trajectoirey
x
Quel serait le mouvement de la balle en absence de ces forces?
Un MRU mouvement rectiligne uniforme
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4.1 La première loi de Newton
À une certaine époque, on pensait que oui et que les objets avaient besoin d’une force pour les maintenir en mouvement en ligne droite à vitesse constante.
Pour celles et ceux qui pensent que oui, il semble qu’ en absence de force que l’état de repos soit le seul l’état «normal» ou « naturel »
v F
Devons-nous appliquer une force sur un objet pour le maintenir en ligne droite à vitesse constante?
Soit la situation suivante :
4
4.1 La première loi de Newton
À la même époque cependant, d’autres personnes affirmaient que même en absence de force un objet conserve son mouvement en ligne droite à vitesse constante.
Pour eux, il semble qu’ en absence de force, que l’état de repos ou de mouvement en ligne droite à vitesse constante soit l’état «normal» ou « naturel»
Pour ces personnes, il faut appliquer une force extérieure uniquement pour changer l’état de mouvement d’un objet: le faire accélérer par exemple.
v
Qui a raison? Faut-il ou non une force pour maintenir un objet à vitesse constante?
v
Fv
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4.1 La première loi de Newton
Les premières personnes imaginaient par exemple le mouvement d’un obus de la façon suivante:
L’obus tombait à la verticale lorsque son énergie était épuisée.
Comment savoir qui a raison? En effectuant des expériences.
projectile
Expérience de Galilée
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4.1 La première loi de Newton
Suite à de nombreuses expériences conduites par ses prédécesseurs Descartes et Galilée, Newton formula sa première loi pour l’étude du mouvement du mouvement.
Elle s’énonce aujourd’hui de la façon suivante: 1e loi de Newton
« Tout corps conserve son état de repos ou de mouvement rectiligne uniforme à moins que des forces extérieures ayant une résultante non nulle n’agissent sur lui et ne le contraignent à changer d’état.»
On dit aujourd’hui que c’est à cause de leur inertie que les objets poursuivent leur mouvement en ligne droite en absence de force. L’ inertie est définie de la façon suivante:
Définition : L’inertie d’un corps est sa tendance à résister à toute variation de son état de mouvement.
Comment mesure-t-on l’inertie d’un objet?
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4.1 La première loi de Newton
Remarque: En pratique, il est difficile de trouver des situations où la première loi s’applique rigoureusement.
En mesurant la masse de l’objet.
Néanmoins , la première loi nous permet de faire de très bonnes prévisions sur ce qu’il se passerait en absence de toute force extérieure.
Disque en mouvement sur une table à coussin d’air
Plus la masse d’un objet est grande, plus son inertie est grande
En fait elle ne s’applique rigoureusement que dans des systèmes de référence qui se déplace en ligne droite à vitesse constante. Or nous sommes sur la Terre dans un système de référence accéléré.
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4.1 La première loi de Newton
Note (1) : La partie historique est intéressante à lire
Note (2) : Nous reviendrons sur les lois de Newton dans le chapitre 5
En résumé, la première loi stipule qu’en absence de force extérieure appliquée sur lui , un objet poursuit son mouvement en ligne droite à vitesse constante par rapport à un système de référence inertiel.
Donc, un mouvement circulaire nécessite nécessairement une force
Deuxième loi de Newton amFext
Troisième loi de NewtonÀ toute action correspond une réaction égale e grandeur et opposée en direction.
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4.1 La première loi de Newton
Inertie
Tendance à résister aux changements
0 F
MasseSituations avec frottement nul
Dans un système de référence inertiel.
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4.2 Le mouvement en deux dimensions.
Nous devrons noter les résultats en utilisant la notation vectorielle puisque les variables de la cinématique; position, déplacement , vitesse et accélération sont des grandeurs vectorielles.
Un objet qui effectue un mouvement en deux dimensions est donc nécessairement soumis à une force externe.
x
Vecteur position r
Ainsi pour le mouvement d’une balle de base-ball nous aurons:
r
x
y
jyixr my
Définition
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4.2 Le mouvement en deux dimensions.
jaiaa yx
12 rrr
t
rvmoy
x
y
r
v
a
Important : Voir par vous-mêmes les expressions vectorielles des autres grandeurs physiques et revoir par le fait même les définitions suivantes :
jvivv yx
m/s m/s2
t
vamoy
m m/s m/s2
12
4.2 Le mouvement en deux dimensions.
Vecteur déplacement r
x
12 rrr
y
1r
2r
r
m
jyixr
m
jyyixxr
)()( 1212 m
x
y
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4.2 Le mouvement en deux dimensions.
Distance parcourue s
x
m/s t
svsm
y
1r
2r
s
Vitesse scalaire moyenne vsm
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4.2 Le mouvement en deux dimensions.
Vecteur vitesse moyenne vmoy
x
t
rvmoy
y
1r
2r
rmoyv
m/s
t
jyix
t
r
m/s
t
jyyixx
t
rvmoy
)()( 1212 m/s
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4.2 Le mouvement en deux dimensions.
Vecteur vitesse instantanée v
x
y
r
jvivdt
rdv yx
v m/s
jvivv yx
m/s
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4.2 Le mouvement en deux dimensions.
t
vamoy
Vecteur accélération moyenne amoy
x
y
r
v
moya
m/s2
t
jvvivv
t
va yyxx
moy
)()( 1212 m/s2
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4.2 Le mouvement en deux dimensions.
dt
vda
Vecteur accélération instantanée a
jaiaa yx
x
y
r
v
a
En résumé, nous utiliserons cette notation vectorielle pour écrire les résultats de nos calculs.
m/s2
m/s2