Document

1
1SMP Cours Physique
Chap 8 : Mouvements dans le champ de pesanteur uniforme
Dans ce chapitre, nous allons étudier différents mouvements de chute dans le champ de
pesanteur que nous supposerons uniforme.
Validité de notre hypothèse : dans le chapitre sur l’interaction gravitationnelle, nous avons
montré que le vecteur champ de pesanteur terrestre pouvait être considéré comme
constant dans un domaine restreint et au voisinage du sol.
On rappelle les variations du champ de pesanteur :
- En intensité, g diminue de …………..…. si l’altitude dépasse ………..….. km.
- En direction et sens, l’écart angulaire entre 2 vecteurs
g
est de ………………… pour
deux points situés à ………….…………………………….
Notre étude se limite donc à des mouvements de chute de quelques kilomètres seulement tant en altitude qu’en longueur… ce qui
correspond à la plupart des situations courantes (lancers de ballons, de boules de neige, de cailloux… sauts à la piscine, à l’élastique
et même d’un parachutiste).
I. Mouvement de chute libre : généralités
1) Définition
On appelle « chute libre » le mouvement d’un objet uniquement soumis à son …………………..
Conditions expérimentales :
En pratique les chutes dans le champ de pesanteur terrestre ne peuvent jamais être libres à cause des
……………………………………………… (et même de la ……………………………………………………………).
Donner 3 conditions concernant l’objet et / ou sa chute pour que celle-ci puisse être considérée comme « raisonnablement libre » :
-
-
-
2) Le vecteur accélération
On considère un objet en chute libre que l’on étudie dans le référentiel terrestre supposé galiléen.
Ecrire la 2ème loi de Newton appliquée au centre d’inertie de l’objet et compléter le texte suivant :
L’accélération du centre d’inertie d’un objet en chute libre est égal au ……………………………………………………
Elle ne dépend ni de la masse de l’objet, ni de la manière dont il a été lancé.
Animation : http://stephbill.free.fr/cours%20ts/accueuilactivitests.htm
Influence vitesse (1min34) http://www.youtube.com/watch?v=zMF4CD7i3hg
Et (6s) http://www.youtube.com/watch?v=z24_ihikEqQ
3) La conservation de l’énergie mécanique
On considère un objet ponctuel en chute libre que l’on étudie dans le référentiel
terrestre supposé galiléen.
Ecrire le théorème de l’énergie cinétique entre 2 points quelconques A et B du
mouvement et compléter le texte de la page suivante (encadré).
g
A
B
z
zB
zA
C

2
Au cours d’un mouvement de chute libre, l’énergie mécanique de l’objet reste ………………………………… : l’énergie
………………………………. se transforme en énergie …………………………………….. et inversement.
Animation : http://physiquecollege.free.fr/physique_chimie_college_lycee/troisieme/energie/conservation_energie_mecanique.htm
Exo 1 : tir au pistolet : un individu tire au pistolet verticalement à partir du sol.
La balle de masse m = 5,0 g part à la vitesse de vA = 600 m/s.
a) Calculer la vitesse de la balle à une altitude de 1,0 km.
b) Calculer l’altitude théorique maximale atteinte par la balle.
c) En réalité la balle atteint une altitude de 1,5 km. Que pouvez-vous en déduire ?
II. Chute libre sans vitesse initiale : mouvements rectilignes
g
Un élève de 1SMP et de masse m ayant raté son dernier devoir de physique saute d’un
pont pris comme origine du mouvement.
Faire l’étude complète, établir les 3 équations horaires du mouvement et retrouver les
formules de la chute libre déjà vue en 2nde :
Syst :
Ref :
ext
F
:
Conditions Initiales de la position et de la vitesse (CI) : à t = 0, l’élève se laisse tomber
du point O, sans vitesse initiale.
PFD (appliqué au cdi) :
Wm
Ec
Wm
Epp
Ec
Epp
Objet en B
Epp
Ec
Objet en C
Objet en A
Em = Ec + Epp = cte
i
k
j
O
G

3
Conclusion : « le centre d’inertie d’un objet en chute libre sans vitesse initiale possède un mouvement
………………………………, ………………..…………………… (car x = y = 0) et …………………………….………………
………………………………………… (car aG = g = ……….. et les vecteurs
G
v
et
G
a
ont même …………………………….. ».
Etablir les expressions de la vitesse et de la distance de chute atteintes au bout de la durée t de chute et trouver la relation entre ces 2
grandeurs.
Rem : la masse n’intervient pas dans ces formules, ce qui est bien cohérent avec notre conclusion du paragraphe I. 2.
Ainsi, si la chute est vraiment libre, les objets légers tombent donc de la même façon que les objets lourds (aussi vite !).
Animation : http://physiquecollege.free.fr/physique_chimie_college_lycee/lycee/terminale_TS/chuteLibre.htm
Chute sous cloche à vide (21s) http://www.youtube.com/watch?v=4z8g8OSOMzY
ou chute sur la Lune Appollo15 (24s) http://www.youtube.com/watch?v=QlQIPje4FYQ
ou tube de Newton (1min20) http://www.youtube.com/watch?v=LIrBIzhiJ9Y
III. Chute libre avec vitesse initiale : mouvements paraboliques
Animation : http://pagesperso-orange.fr/gilbert.gastebois/java/balistique/balistique.htm
basket (6s) http://www.youtube.com/watch?v=zJ_s_WsFS_A ou foot (10s) http://www.youtube.com/watch?v=k-YWxMTZtgk
g
0
v
Conditions Initiales de la position et de la
vitesse (CI) : à t = 0, le joueur tape dans le
ballon situé à l’origine du repère O, avec un
vecteur vitesse
0
v
faisant un angle avec
l’horizontale.
Un élève de masse m ayant raté sa 1SMP devient gardien de foot professionnel.
Au cours de son 1er match, il tape dans le ballon et décide d’étudier le mouvement
du ballon dans un repère dont l’origine correspond au point d’impact.
Faire l’étude complète, établir les 3 équations horaires du mouvement ainsi que
l’équation de la trajectoire.
Syst : Ref :
ext
F
:
1) Equations horaires du mouvement
PFD (appliqué au cdi) :
Les équations précédentes montrent que :
(….) : x = 0  Le mouvement s’effectue dans le ………………….. (O,y,z) c’est-à-dire le plan vertical contenant le vecteur
0
v
.
(….) : vy = vy0*cos = cte  Le mouvement sur l’axe (O,y) est donc ……………………………………………
(….) : az = - g = cte  Le mouvement sur l’axe (O,z) est donc …………………………………………………..
Composantes vitesse (21s) http://www.youtube.com/watch?v=hlW6hZkgmkA et (8s) http://www.youtube.com/watch?v=ZBfy-MNgtoY
i
k
j
O

4
2) Etude de la trajectoire
a) Equation de la trajectoire
Pour établir l’équation de la trajectoire, il faut éliminer le temps entre les équations (….) et (….) :
Conclusion : « la trajectoire du centre d’inertie d’un objet en chute libre lancé avec une vitesse initiale faisant un angle avec
l’horizontale est une portion de ………………………… contenue dans le plan ……………………… contant le vecteur ………... »
b) Flèche et portée horizontale
 La flèche h correspond à l’altitude maximale zM atteinte par le ballon (à l’instant tM).
En ce point M, le vecteur vitesse, tangent à la trajectoire est donc ………………………….. ce qui se traduit par vz (tM) = …………
En déduire les expressions de tM, yM et zM en fonction de v0, et g.
Ex : pour le foot, v0 = 120 km/h et on suppose = 30°. On prendra g = 10 m/s2. Calculer h.
Rem : quel angle faut-il choisir pour que la flèche soit maximale ? Donner l’expression de hmax et la calculer avec les données
précédentes.
i
k
j
O
z
y
yD
D (tD)
M (tM)
yM
zM
h
d
0
v

5
 La portée horizontale d correspond à la distance parcourue par le ballon avant qu’il ne touche le sol (à l’instant tD).
En ce point D, yD = d et zD = ………………
En déduire les expressions de tD et yD en fonction de v0, et g.
Ex : pour le foot, v0 = 120 km/h et on suppose = 30°. On prendra g = 10 m/s2. Calculer d.
Rem 1 : on remarque que d = yD = 2 yM (dans notre cas où z0 = 0) : en l’absence de frottement, la hauteur maximale est donc
atteinte au milieu de la portée horizontale (car la trajectoire est symétrique).
Rem 2 : à v0 fixée, quel angle faut-il choisir pour que la portée horizontale soit maximale ? Donner l’expression de dmax et la
calculer avec les données précédentes.
Rem 3 : pour d < dmax, sin2 = (g*d) / v02 admet 2 solutions
1 et 2 telles que :
Ceci signifie que 2 angles de tirs sont possibles
pour obtenir une même portée horizontale :
un tir « tendu » et un tir « en cloche ».
(31s) http://www.youtube.com/watch?v=N0H-
rv9XFHk
Rem 4 : dessiner sur la figure suivante l’allure de la trajectoire réelle du ballon
en tenant compte des frottements de l’air.
Pousferplézir :
(11s) http://www.youtube.com/watch?v=nb8cxQlup4A
(14s) http://www.dailymotion.com/video/x18bkwz_basket-
marvey-o-otey-marque-un-panier-en-tirant-dans-le-
dos_sport
Compil basket (3min44)
http://www.youtube.com/watch?v=W4fmdxElg38
Rémy Gaillard / Ronaldo (2min55)
http://www.youtube.com/watch?v=luUD5CXMj3w
Compil foot Rémy Gaillard (16min42)
http://www.youtube.com/watch?v=zR3Z2P4l0H0
Plus rapide que la chute libre (2min14) http://www.youtube.com/watch?v=SoB6OgmVog0#t=13
z
y
D
O
Trajectoire théorique
(sans frottement)
z
y
D
O
1
2
Tir en cloche
Tir tendu