Chapitre 5 : Mouvements et forces

Chapitre 5 : Mouvements et forces
I. Notions préalables
Pour simplifier, on n’étudiera que des objets supposés petits dont on considérera uniquement un point
particulier.
Avant de pouvoir parler de mouvement il faut définir quel est l'objet auquel on s'intéresse et quel est le
point de vue de l'observateur.
1. Système
On appelle système l'objet ou un point particulier de cet objet dont on va étudier le mouvement.
Ex : une balle de tennis, la valve d'une roue de bicyclette...
2. Référentiel
Un référentiel est un objet indéformable par rapport auquel on définit le mouvement des autres objets.
Ex : la table si on veut étudier une bille qui roule sur celle-ci, une gare si on veut étudier les trains qui
passent...
z
On lui associe :
 un repère muni d'axes qui permet de connaître les coordonnées du système
 une horloge qui permet de connaître les temps de passage du système en
différents points.
y
Souvent on choisit un objet lié à la Terre : cela constitue le référentiel terrestre.
Il existe aussi le référentiel géocentrique : origine : centre de la Terre, 3 axes
x
dirigés vers 3 étoiles lointaines supposées fixes ; et le référentiel héliocentrique :
origine : centre du Soleil, 3 axes dirigés vers 3 étoiles lointaines supposées fixes.
II. Description d'un mouvement
1. Notion de trajectoire
La trajectoire est une courbe passant par l’ensemble des positions successives occupées par l’objet.
Exemple: chute libre d’une balle.
 Si la trajectoire est une portion de droite, on dit que le mouvement est rectiligne.
 Si la trajectoire est une portion de courbe, on dit que le mouvement est curviligne.
2. Vitesse
La vitesse d’un point est la distance parcourue AB divisée par le temps nécessaire à ce parcours t.
AB
v=
AB se mesure en m, t en s, donc v en m.s-1.
t
 Si la vitesse du point augmente, on dit que le mouvement est accéléré.
 Si la vitesse du point diminue, on dit que le mouvement est décéléré.
 Si la vitesse du point ne change pas, on dit que le mouvement est uniforme.
Rappel : comment passer des km.h-1 aux m.s-1 ?
1 km
1000 m
1
−1
60 km.h =60 x
=60 x
=60 x
m.s−1≈16,7 m.s−1 .
1h
3600 s
3,6
3. Relativité du mouvement
Le mouvement d’un corps dépend du statut de l’observateur.
Exemple : train qui passe en gare :
 le chef de gare voit le conducteur passer dans son train ;
 pour le conducteur, c’est le chef de gare et la gare qui se déplacent vers l’arrière.
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La nature du mouvement d’un corps dépend du référentiel que l’on choisit pour étudier ce mouvement.
III. Notion de force
1. Action mécanique et force
Quand un objet X est en interaction avec un autre objet Y, on appelle
force exercée par X sur Y la grandeur qui caractérise l’action mécanique
de X sur Y. Une force se mesure en newton (N).
On représente une force par un vecteur. Ses caractéristiques sont son
origine, sa direction, son sens, sa longueur.
2. Effet d’une force sur un mouvement
Exemple 1 : si on lance une balle verticalement vers le haut, celle-ci ralenti,
s’arrête et retombe. Sa vitesse est donc modifiée, à cause de la force qui s’exerce sur
elle : son poids.
F
balle/table
Exemple 2 (avec la table magnétique) :
aimant
bille d'acier
La trajectoire s’incurve près de l’aimant : la bille d’acier subit une
force magnétique qui modifie la direction du mouvement.
Exemple 3 : (frotter une règle en plastique et attirer un bout de papier)
Le bout de papier est mis en mouvement par la force électrostatique qu’il subit de la part de la règle.
Conclusion : une force s’exerçant sur un corps modifie :
∙soit sa vitesse
∙soit la forme de sa trajectoire
∙soit les deux
Ces modifications dépendent de la masse du corps : plus la masse est grande plus l'effet est petit.
IV. Le principe d’inertie
1. Un peu d’histoire
Les grecs pensaient que le mouvement rectiligne uniforme était dû à une force constante exercée sur
l’objet.
Galilée (1564-1642) avait compris que cette force n’était pas nécessaire, mais il pensait que, sur Terre, il
fallait quand même toujours une force pour qu' un corps reste en mouvement.
Il a fallu attendre Newton (1642-1727) pour comprendre le principe d’inertie.
2. Énoncé
Tout corps demeure soit immobile, soit en mouvement de translation rectiligne uniforme, si aucune force
ne s’exerce sur lui ou si toutes les forces qui s’exercent sur lui se compensent.
Exemples :
parachutiste : au bout de quelques instants, son parachute compense son poids, il va à vitesse constante.
hockey : le palet sur la glace, s’il glisse sans frottement, va à vitesse constante.
Remarque : le principe d’inertie n’est valable que dans certains référentiels, qu’on appelle “galiléens”.
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Exercices
Exercice 5 p 93
1. C'est dans le référentiel géocentrique.
2. Il s'agit d'un mouvement circulaire uniforme.
Exercice 7 p 93
1.a. Dans le référentiel terrestre, son nez est immobile.
1.b. En revanche dans le référentiel géocentrique son nez décrit une trajectoire circulaire autour de l'axe
des pôles.
2. Non : dans le référentiel terrestre, il est immobile mais pas dans le référentiel géocentrique.
3. On voit très bien que le mouvement de son nez dépend du référentiel utilisé.
Exercice 8 p 94
1.a. Un satellite géostationnaire reste toujours à la verticale du même point.
1.b. Le satellite est immobile dans le référentiel terrestre.
2. En revanche dans le référentiel géocentrique il décrit une trajectoire circulaire autour de l'axe des pôles.
3. Sa période de révolution est égale à la période de rotation de la Terre sur elle-même.
Exercice 10 p 94
1. T = 365,25 j.
2. D = 2.π.R = 2 x 3,14 x 150.106 = 942.106 km.
d
3. v =
.
t
942.106
4. v =
= 107 000 km.h −1 .
365,25 x 24
Exercice 3 p 243
1.a. Par rapport au sol, un point du buste de Naïma est immobile.
1.b. Par rapport au tapis, ce point est en mouvement rectiligne uniforme.
2. Par rapport au sol, un point du tapis est en mouvement rectiligne uniforme.
Exercice 7 p 244
d
100
d 100
−1
=
=10,4 m.s
=
=9,71 m.s−1 .
; Jesse Owens : v =
 t 9,58
 t 10,3
2. En 10,3 s, il aurait parcouru : d = v.  t =10,4 x 10,3=108 m .
3. Distance parcourue par Jesse Owens en 9,58 s : d = v.  t =9,71 x 9,58=93,0 m . Donc Jesse Owens
aurait été à 7,0 m de l’arrivée lorsque Usain Bolt terminait sa course.
4. Pour Jesse Owens, le temps était mesuré en dixièmes de secondes tandis que pour Usain Bolt il est
mesuré en centièmes de secondes.
1. Usain Bolt :
v=
Exercice 13 p 245
d 8,5
−2
=2,5 .10 s .
1. La durée sonore qui sépare les deux couloirs est :  t = =
v 340
2. Le coureur situé sur la première ligne est avantagé car il entend le coup de feu avant tous les autres.
3. Le haut parleur situé sur chaque starting-block permet à tous les coureurs d'entendre le coup du départ
au même instant.
4.
Temps de course de Burell : 9,90 – 0,117 = 9,78 s ;
temps de course de Lewis : 9,93 – 0,166 = 9,77 s.
Donc Lewis a été le plus rapide !
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Exercice 3 p 255
1.  Le système étudié est le « poids ». L’étude se fait dans le référentiel terrestre.
2. La valeur de la vitesse n'est pas constante et la trajectoire n’est pas une portion de droite.
Le mouvement n’est donc ni uniforme ni rectiligne, donc le système est soumis à des forces qui ne se
compensent pas.
Exercice 5 p 255
1. Oui : aussi bien en A qu'en B ou en C il y a le poids et la réaction de la table.
2. Entre les deux portions rectilignes, la trajectoire de la balle a été modifiée par la force exercée par le
bord du billard.
Exercice 10 p 256
1.a. Lors de la préparation, la boule d’acier est soumise à son poids, à la force exercée par le câble et à la
force exercée par l’air.
1.b. 2. Lors du vol, la boule est soumise à son poids et à la force exercée par l’air.
1.c. Lorsque le marteau est au sol, la boule est soumise à son poids et à l’action du sol.
2. Les deux forces sont opposées (elles se compensent, car le marteau est immobile).
Le poids est vertical et orienté vers le bas, la force exercée par le sol est verticale et orientée vers le haut.
Ces deux forces sont représentées par des vecteurs de même longueur.
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