MPSI Chapitre 1 CINÉMATIQUE DU POINT MATÉRIEL 1-1 Espace physique et temps d'un observateur 1-1-1 Notion de solide Certains corps ont une forme pratiquement indépendante des actions mécaniques qu'ils subissent. En mécanique, on nomme solide un corps qui ne subirait aucune déformation. Les distances et les angles déterminés par l'ensemble des points formant un solide sont donc invariants. 1-1-2 L'espace physique Jusqu'en 1960 le mètre était défini par la distance entre deux traits gravés sur une règle de platine iridié (le mètre étalon). Cette définition faisant appel à la notion de solide puis celle qui définissait le mètre comme le multiple de la longueur d'onde d'une certaine radiation du krypton sont aujourd'hui abandonnées. La définition actuelle est la suivante Le mètre est la longueur du trajet parcouru dans le vide par la lumière pendant une durée de 1 / 299 792 458 seconde. La mécanique classique, comme la relativité restreinte postulent que l'espace physique est l'espace euclidien à trois dimensions. La théorie de la relativité générale (1916) remet en cause cette hypothèse. 1-1-3 Chronologie et définition de la seconde La notion d'écoulement du temps est d'abord intuitive; un observateur peut constater que tel événement a lieu après tel autre, c'est-à-dire établir une chronologie. Le temps est un paramètre réel servant à dater les événements. Tout instrument propre à dater constitue un "chronomètre" ou "horloge". Un sablier ou une personne énonçant la suite des nombres entiers est une horloge. Pour choisir, parmi les différentes horloges, on impose une exigence supplémentaire, l'uniformité du temps, ou, ce qui revient au même, on postule que les lois physiques sont invariantes par translation dans le temps. Par exemple, si un pendule oscille en repassant toujours par les mêmes positions dans des conditions extérieures constantes, les lois physiques étant inchangées d'une oscillation à l'autre, la durée doit être la même pour chaque oscillation. On voit ainsi l'importance des phénomènes cycliques pour la définition d'une chronologie. Le problème crucial dans l'exemple précédent comme pour toute horloge basée sur un phénomène cyclique est celui des conditions extérieures qui doivent être constantes. Le choix d’une chronologie privilégiée permettant d'appliquer les lois de la mécanique s'est fait par des approximations successives. On a longtemps utilisé l'astronomie pour définir l'unité de temps. Jusqu'en 1960 la seconde était définie comme étant la fraction 1/86 400 du jour sidéral ("temps sidéral") L'inconvénient de cette définition était le suivant : avec cette définition de la seconde, le mouvement des astres allait en s'accélérant, sans qu'aucune explication plausible ne puisse être avancée, alors qu'au contraire, le ralentissement du mouvement de la terre sur son axe, qui n'existait pas avec cette définition de l'unité de temps, peut s'expliquer par le frottement de l'eau des océans sur elle-même et sur les continents. Il fallait donc bien considérer que c’était l’horloge qui retardait. On a donc utilisé ensuite la révolution de 1a Terre autour du Soleil ( "temps des éphémérides") pour définir 1a seconde. Actuellement, la seconde est définie à partir des mesures de fréquence, grâce à la très grande précision actuelle (10–12) sur ces mesures. C'est le "temps atomique" . La seconde est la durée de 9 192 631 770 périodes de la radiation correspondant à la transition entre les deux niveaux hyper fins de l'état fondamental de l'atome de césium 133. 1-2 Mouvement et référentiel, temps absolu Un référentiel d'espace-temps est un système d'axes de coordonnées attaché à un solide et muni d'une chronologie. Du point de vue spatial, un référentiel est donc par définition indéformable, les distances et les angles définis par un ensemble de points du référentiel sont constants. Chaque référentiel d'espace-temps est muni d'une chronologie. On le suppose donc muni d'une horloge atomique fixe dans le référentiel. En mécanique classique (ou newtonienne), on considère que le temps est une notion indépendante du référentiel considéré. On peut parler de temps absolu, c'est-à-dire qu'en mécanique classique, des observateurs liés à des référentiels différents peuvent attribuer les mêmes dates aux mêmes événements. La relativité restreinte remet en cause ce postulat. Le temps écoulé entre deux événements n'est pas le même dans deux référentiels d'espace-temps, munis d'horloges identiques, si le mouvement de l'un n'est pas une translation rectiligne uniforme par rapport à l'autre. 1-3 Notion de point matériel Un point matériel est un objet dont la position dans un référentiel donné est en entièrement définie par trois coordonnées. Il ne suffit pas qu'un solide soit petit pour pouvoir l'assimiler à un point matériel. Une molécule possédant un moment dipolaire possède une symétrie de révolution autour de son vecteur moment dipolaire mais pas la symétrie sphérique nécessaire. Il faudrait donc que l'objet que l'on assimile à un point matériel possède la symétrie sphérique du point géométrique et soit donc homogène et isotrope. Mais ceci ne suffit encore pas, le centre d'inertie d'une sphère homogène sur un plan incliné n'a pas le même mouvement suivant que la sphère glisse ou qu'elle roule (cours de math.spé.). Il faut donc de plus exclure pour un point matériel la possibilité de tourner. Enfin, la condition de petitesse n'est même pas nécessaire; la Terre, dans l'étude du mouvement d'un satellite peut très valablement être assimilée à un point matériel coïncidant avec son centre d'inertie. On appellera point matériel un corps, ou un point géométrique associé à un système de corps, dont la position géométrique est totalement déterminée par trois coordonnées. Le type même du point matériel est, comme on le verra, le point matériel fictif coïncidant avec le centre d'inertie d'un système, et où serait concentrée toute la masse du système. 1-4 Complément de géométrie 1-4-1 Repère, coordonnées cartésiennes Un repère d'espace est constitué par un point et trois axes de coordonnées cartésiennes, qu'ils soient ou non liés au référentiel auquel on rapporte le mouvement étudié. En coordonnées cartésiennes, la position d'un point matériel est définie par son vecteur position décomposable suivant les directions des trois axes : OM = x i y j z k ou OM = x u x y u y z u z Si le repère est lié au référentiel dans lequel on travaille, ses axes sont considérés comme fixes. Les vecteurs unitaires de la base correspondante sont alors constants. Le déplacement élémentaire du point matériel est alors : d OM = dx u x dy u y dz u z La longueur de ce déplacement est donc ds = dOM tel que (ds)2 = (dx)2 + (dy)2 + (dz)2 1-4-2 Coordonnées cylindriques (ou cylindro-polaires) Un repère cartésien, que l'on supposera ici lié au référentiel dans lequel on étudie le mouvement, étant défini, les coordonnées cylindro-polaires sont les coordonnées polaires de la projection H de M dans le plan 2 2 (xOy) : la coordonnée radiale OH x y (notée souvent r), l'angle polaire Ox , OH ainsi que la cote z de M. z uz u M u z O y H x Les vecteurs unitaires u , u et u z forment une base mobile utilisée pour décomposer les vecteurs, par exemple : OM u z u z . On remarque que u = cos u x + sin u y et u = – sin u x + cos u y , d'autre part, (Oxyz) étant lié au référentiel, u x et u y sont constants donc d u d u d u u . et d Plus généralement, la dérivée d'un vecteur unitaire u tournant dans un plan par rapport à l'angle qui définit sa direction dans ce plan est le vecteur v unitaire obtenu par rotation de u de + . 2 1-5 Trajectoire, abscisse curviligne, loi horaire La trajectoire d'un point mobile dans un référentiel donné est l'ensemble des points de ce référentiel avec lesquels il coïncide successivement au cours du temps. Il s'agit bien sûr d'une courbe continue. La trajectoire dépend du référentiel par rapport auquel on étudie le mouvement. Un sens positif noté par s et une origine A étant choisis arbitrairement sur la trajectoire, L'abscisse curviligne de M est définie par s AM . L'abscisse curviligne est une fonction de la date t, continue et dérivable. Cette fonction f : t s f ( t ) est appelée "loi horaire du mouvement" (ou "équation horaire"). 1-6 Vitesse d OM La vitesse d'un point matériel dans un référentiel où le point O est fixe est v . O pouvant être dt dM remplacé par n'importe quel point lié au référentiel, on note encore cette vitesse ou OM ou M . dt La vitesse est une fonction continue et dérivable du temps. Si l'on utilise plusieurs référentiels, la vitesse de M dans le référentiel R est notée v M / R . Un déplacement élémentaire d M du point M est tangent à la trajectoire donc le vecteur vitesse est tangent à la trajectoire. Le vecteur u T étant tangent à la trajectoire et orienté dans le même sens que celle-ci, le déplacement élémentaire s'écrit d M ds u T donc v s u T , s est la vitesse algébrique et la norme de la vitesse est donc v v s . On appelle hodographe du mouvement la courbe décrite par l'extrémité du vecteur vitesse représenté avec une origine fixe. Si le repère cartésien est lié au référentiel, v x u x y u y z u z et en coordonnées cylindriques d u d u et OM u z u z donc v u u z u z . dt d dt d u 1-7 Accélération d v d 2 OM L'accélération d'un point matériel dans un référentiel où le point O est fixe est a soit dt dt 2 a v OM . Elle peut présenter des discontinuités. Si l'on doit préciser le référentiel, on écrit a M / R . Si la trajectoire n'est pas rectiligne, le vecteur unitaire tangentiel u T varie, sa dérivée par rapport à la date est normale à la trajectoire donc l'accélération a s u T s u T a une composante tangentielle et une composante normale à la trajectoire. s est l'accélération tangentielle. Si le repère cartésien est lié au référentiel, a x u x y u y z u z et en coordonnées cylindriques 2 d u d u d u et v u u z u z donc a u 2 u z u z . dt d dt Si a . v s s est positif, le mouvement est accéléré. Si a . v s s est négatif, le mouvement est retardé. 1-8 Mouvements particuliers 1-8-1 Lois horaires particulières Si v = | s | est constant, s étant une fonction continue de t est aussi constant. Le mouvement est alors uniforme et sa loi horaire est de la forme s = s t + s0. Si s est constant, le mouvement est uniformément varié. s = s t + s 0 et la loi horaire s'écrit t 2 s s s 0 t s 0 . (Voir les propriétés de ce mouvement dans l'exercice 1-1). 2 Le mouvement est sinusoïdal si s = s0 + cos(t + ). > 0 est l'amplitude du mouvement, t + est sa phase à la date t, est sa phase à l'origine des dates, > 0 est sa pulsation ou fréquence 2 1 angulaire (en rad.s–1). Le mouvement est périodique, de période T et de fréquence f (en T 2 hertz : 1 Hz = 1 s–1) Un choix convenable de l'origine des dates et de l'origine des abscisses curvilignes permet de ramener cette loi horaire à la forme s = cos(t). 1-8-2 Mouvements rectilignes Pour un mouvement rectiligne, u T est constant, l'accélération est tangentielle : a s u T . On choisit l'axe Ox suivant la trajectoire (s est alors noté x et l'origine des abscisses curvilignes est en O). La loi horaire est alors f : t x f ( t ) . Si le mouvement est rectiligne uniforme v est constant, a 0 . Si le mouvement est rectiligne uniformément varié a est constant. La réciproque est fausse : voir 1-8-3. Si le mouvement est rectiligne sinusoïdal, avec le choix de O au milieu du segment parcouru, la loi horaire s'écrit x X cos(t ) ou x A cos(t ) B sin( t ) L'accélération s'écrit a x u x = – 2 X cos(t + ) donc a 2 OM . Si à t = 0, x = x0 et x x 0 , on a x0 = X cos() et x 0 X sin( ) d'où X x 0 2 2 x0 2 et x0 , la valeur de est choisie suivant le signe de cos : tan x 0 x x0 0 si x0 > 0, , et arctan et si x0 < 0 arctan . 2 2 x 0 x 0 On obtient plus directement A et B avec x0 = A et x 0 B . 1-8-3 Mouvements à accélération constante t2 v 0 t OM 0 . Si a est constant, v a t v 0 et OM a 2 On choisit les axes du repère avec M0 = O comme origine, Oz // a et de sens contraire et le plan (xOz) confondu avec le plan a , v 0 . z y a v0 x O On a donc, avec Ox , v 0 : a z u z a u z et v 0 x u x z u z v 0 cos u x v 0 sin u z . x v 0 cos t On en déduit . En éliminant la date, on obtient l'équation de la trajectoire : y0 a 2 z 2 t v 0 sin t t a x x 2 tan x . C'est l'équation d'une parabole. donc z 2 2 v 0 cos 2 v 0 cos La trajectoire d'un point matériel dont l'accélération est un vecteur constant est une parabole. Le mouvement de la projection de M sur Ox est uniforme et celui de la projection de M sur Oz est uniformément varié. Si v0 // a ( donc cos = 0 et sin = 1 ), le mouvement de M est rectiligne uniformément 2 varié, sur l'axe Oz. t2 v 0 t OM 0 , on démontre facilement Avec les équations vectorielles v a t v 0 et OM a 2 les propriétés suivantes : t t La vitesse moyenne entre t1 et t2 est égale à la vitesse à 1 2 et à la moyenne des vitesses à t1 et t2 : 2 v 1, 2 v t1 t 2 2 v1 v2 . 2 La variation du carré de la vitesse est le double du produit scalaire de l'accélération par le vecteur 2 2 déplacement : v 2 v1 2 a . M1M 2 . Les vecteurs déplacements pendant des intervalles de temps successifs de même durée forment une suite arithmétique : M n M n 1 M n 1M n a 2 (avec tn+1 = tn + et tn1 = tn – ). 1-8-4 Mouvements circulaires Le point matériel mobile M se déplaçant sur un cercle, il est pratique d'utiliser les coordonnées y polaires. u uz . M u . Oz A x s En notant R le rayon du cercle parcouru par M, si s = 0 pour = 0 (origine des abscisses curvilignes en A, sur Ox), s AM = R , s R et s R . Le vecteur vitesse angulaire est u z , sa norme est v = | |, son unité SI est rad.s–1. R La vitesse est v s u R u soit encore v OM MO , c'est le moment en M du vecteur vitesse angulaire représenté en O. 2 Le vecteur accélération est (voir 1-6) a R u R u = v 2 u s u . On constate que R l'accélération normale est orientée vers le centre du cercle. Si le mouvement est circulaire uniforme, alors l'accélération angulaire est nulle, la vitesse 2 angulaire est constante, l'accélération est normale : a R u soit encore a 2 OM . Le mouvement est périodique, de période T 2 2R 1 v et de fréquence f . v T 2 2R 1-9 Produit vectoriel 1-9-1 Définition Soit la base e1 , e 2 , e 3 formant un trièdre trirectangle de sens direct (leurs sens sont donnés dans cet ordre par pouce, index, majeur, de la main droite). Soient deux vecteurs U U1 e1 U 2 e 2 U3 e3 et V V1 e1 V2 e 2 V3 e3 . Le produit vectoriel de ces deux vecteurs est U V U 2 V3 U3V2 e1 U3V1 U1V3 e 2 U1V2 U 2 V1 e3 . U1 V1 U 2 V3 U 3 V2 U 2 V2 U 3 V1 U1V3 : les traits croisés montrent comment on obtient la première coordonnée, U V U V U V 2 3 3 3 1 2 les autres s'obtiennent par permutation circulaire des indices, dans l'ordre 1;2;3;1;2... e e e e e e 2 3 1 3 1 2 e1 e1 0 On a donc e 2 e 3 e1 , e 3 e 2 e1 et e 2 e 2 0 . e e e e e e e 3 e 3 0 3 1 1 2 3 2 1-9-2 Propriétés du produit vectoriel Le produit vectoriel est une loi de composition interne dans R3. Il est anticommutatif : V U U V . Il n'est pas associatif : U V W U V W . On le constate avec les formules du double produit vectoriel : U V W U . W V V . W U , (on peut le démontrer simplement en explicitant les coordonnées et en constatant l'égalité) alors que U V W V W U V . U W W . U V d'après la formule précédente. On retiendra une seule de ces formules : U V W U .V W W . U V et on en déduira l'autre si nécessaire. Il est distributif à droite et à gauche sur la somme vectorielle : U V W U V U W et U V W U W V W . 1-9-3 Norme, direction et sens du produit vectoriel, produit vectoriel nul En choisissant (xOy) suivant le plan défini par les deux vecteurs avec Ox dans la direction et dans le sens de U , si U, V , leurs coordonnées sont, dans la base e x , e y , e z formant un trièdre trirectangle de sens direct : (U, 0, 0) et (V cos, V sin, 0). z U V (en sens inverse si sin < 0) O y U V x = UV sin ez . On a alors U V U e x V cos e V sin e x y On a donc U V UV sin U V plan U, V et l'étude du signe de sin montre que : le trièdre U, V, U V est de sens direct . Si U // V alors U V 0 car U1 U 2 U 3 d'où U1V2 – U2V1 = 0 etc... V1 V2 V3 Le produit vectoriel est aussi 0 si l'un des vecteurs est nul (au sens large, il est parallèle à l'autre). U V 0 U // V On peut aussi démontrer la réciproque, donc (ce qui inclut les cas particuliers U 0 et V 0 ). 1-9-4 Moment en un point d'un vecteur lié On appelle vecteur lié un vecteur représentant une caractéristique physique d'un point donné (vitesse, accélération, force subie...), on le représente alors en ce point. Le moment en P du vecteur U lié au point M est par définition MU/ P U P M MU/ P PM U