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Chapitre2
Dynamiquedu pointmatériel
Leprécédentchapitresestlimitéàl’étudedesélémentscinématique,cestàdirelasimple
description dun mouvement (position,vitesse,accélération),dansdi¤érents systèmesde co-
ordonnées.Le chapitreprésentvasepenchersurlescausesdu mouvement: l’objectifest,
à partirdesactionsouforcessexerçantsurlepointM,de calculercommentsontmodi-
ées sonaccélérationetsavitessepouren déduiresonmouvement.Ce chapitre comporte
un certain nombredeloisou principespermettantderelierforcesetélémentcinématiques.
Desloisou principes sontdesrelationsquinesedémontrentpas: ils sevérientsimplement
expérimentalement,etrestentposésdèsquaucune expérience nelesamise en défaut.
2.1.LesloisdeNewton: les3principes
LesloisditesdeNewtonontétéposéespourl’essentielauXVIIiµemesiècle etdébut
XVIIIiµemeparGalilée etNewton.Aujourdhui, soit300 à 400 ansplustard,ellesnontpas
étéremisesencausetantquel’onrestedansleslimitesdelamécanique classique.
2.1.1.La premièreloi deNewton : leprinciped’inertie
Soitun pointMdemassem.
Dé…nition
Onditquunsystème estisolé(parexemplelepointM) sice systèmenesubitaucune
action(aucuneforce)delextérieur.
En pratique,un systèmeisolé est trèsdi¢cileà obtenir!Ilfaudraitplacerl’objetdans
l’espace, loin detouteautremasse.Poure¤ectuerune expérience surou prochedelaTerre
parexemple,ilfaudrase contenterdesystèmespseudo-isolés.
Dé…nition
Unsystème estditpseudo-isolésitouteslesactionsextérieures se compensent.
Cestparexemplele casenimpesanteurdansunsatellite enorbiteautourdelaTerre.
PremièreloideNewtonou principed’inertie
DansunréférentielGaliléenR(appelé égalementréférentield’inertie),lemouvementdun
pointisolé estrectiligneuniforme(ouaurepos).
Dé…nition du référentielGaliléen
Sadé…nitionestenréalitédonnée implicitementparleprinciped’inertie:on prend le
référentielRétudié,onyplace un pointisolé(ou pseudo-isolé)demassem,etonobserve
sonmouvementdansR.Sisonmouvementestrectiligneuniforme, leréférentielestalorsdit
Galiléen.Concrètement,daprèscettedé…nition, ladéterminationducaractèreGaliléenou
non dun référentielestpurementexpérimentale.Nousallonsmaintenantrechercherdautres
critèrespermettantdesabstenirde¤ectuercette expérience àchaquefoisquel’onconsidère
un nouveauréférentieldétude.
Pourcela,un référentielGaliléen, leréférentieldeCopernic estdé…ni.
L.Menguy,Lycée Montesquieu,LeMans21 novembre2003
20 Chapitre2Dynamiquedu pointmatériel
LeréférentieldeCopernicasoncentreaucentrede gravitédusystèmesolaire;sestrois
axes sontdé…nisparlestroisdirectionsde3étoilestrèséloignées (etdoncsupposéesxespar
rapportaucentrede gravitédusystèmesolaire).
Parlasuite,onleprendracommeréférence,etseulslesréférentielsentranslationrectiligne
uniformepar rapportauréférentieldeCopernicsontconsidéréscomme étantGaliléens.
Leréférentielterrestre(référentielxéàlaTerre)est-il Galiléen?
Entouterigueur, il nel’estpas,caril tournedansleréférentieldeCopernic(rotation dela
Terresurellemême etrotation delaTerreautourdu soleil).En pratique,àpartirdu moment
oùl’expérience sedéroulesurunedurée trèsinférieureàunejournée,on pourraquasimentle
considérercomme étantGaliléen.
2.1.2.La deuxièmeloi deNewton ; leprincipefondamental de
la dynamique
LadeuxièmeloideNewtonrelielesforces sappliquantsurun pointMàlaccélération du
pointM.
Uneforce sappliquantsurun pointmatérielMalesmêmescaractéristiquesquun vecteur:
elleaunedirection,un sensetsonaction,plusoumoinsimportante,semesureparune
intensité.Cetteforce estdoncreprésentée parun vecteur¡!
F.
Expérimentalement,on peutobserverquelapplication duneforce ¡!
Fsurlepointmatériel
MaccélèrelemouvementdecepointM;cetteaccélération notée ¡!
aseproduitdanslamême
direction, lemêmesensquelaforce etestproportionnelleàcetteforce.Laconstantede
proportionnalité entre¡!
Fet¡!
aestlamassemdu pointM.
Leprincipefondamentaldela dynamiquesénonce alorscommesuit:
¡!
F=m¡!
a(M)=R
Dé…nition
Laquantitédemouvementnotée ¡!
pdunpointmatérielMdemassemsedéplaçantà
une vitesse¡!
vestpardé…nition:
¡!
p=m¡!
v
Leprincipefondamentaldeladynamiquedevientalors:
¡!
F=md¡!
v
dt=d(m¡!
v)
dt:
Cecipermetdécrirelethéorèmedelaquantitédemouvement (quiestexactementlamême
chosequeleprincipefondamentaldeladynamique):
¡!
F=d¡!
p
dt:
Remarque2.1Siplusieursforces sappliquentsurlepointM,leursactions sadditionnent:
X¡!
Fext!M=m¡!
a(M)
21 novembre2003 L.Menguy,Lycée Montesquieu,LeMans
Section2.2Lesforces21
ou
X¡!
Fext!M=d¡!
p
dt;
¡!
Fext!Msontlesforces sappliquantsurM.
2.1.3.Latroisièmeloi deNewton:leprincipedesactions
réciproques
Soituneforce ¡!
Fquiestcréée parun pointP(ditacteur)surun pointM(ditreceveur).
On noteFP!Mlaforce appliquée parPsurM. Ona:
¡!
FP!M=m¡!
a(M):
Enfait,onconstatequesiPagitsurM,alors systématiquement,Magitégalementsur
Pdemanièreréciproque,selonlamêmedirection, lamêmeintensité,maisdansdes sens
di¤érents.Cestleprincipedesactionsréciproques:
¡!
FP!M=¡¡!
FM!P:
Exemples:chocdedeuxparticules,attractionCoulombiennedesdeuxcharges,attraction
gravitationnellededeuxmasses...
2.2.Lesforces
2.2.1.Laforcedegravitation
Laforce degravitation,appelée aussiforce d’interactiongravitationnelle,aétédécritepour
lapremièrefoisparNewtonen1650.Elledécritl’attractionentredeuxmassesplacéesl’uneau
voisinagedel’autre.Cetteactionestgénéralementdefaibleintensité,saufquand desmasses
trèsimportantes,commeleTerreparexemple, interviennent.
Expérimentalement,on peutvérierquel’attractionentrelesdeuxmassesestproportion-
nelleàlavaleurde chacunedesmasses,etinversementproportionnelleaucarrédeladistance
qui les sépare.Cetteforce étantattractive,eten notantGlaconstantedeproportionnalité, la
force degravitationentrelesdeuxpointMetPdemassesrespectivesmPetmMetdistants
derest:
¡!
FP!M=¡GmPmM
r2¡!
eP!M:
¡!
FP!Mestlaforce créée parPetsappliquantsurM,et¡!
eP!Mestlevecteurunitaire
dirigédePversM;
G=6:67259 £10¡11 m3kg¡1s¡2estlaconstanteuniverselledegravitation.
Laforce degravitation peutaussisécriresouslaformesuivante:
¡!
FP!M=¡GmPmM
¡¡!
PM
PM3:
L.Menguy,Lycée Montesquieu,LeMans21 novembre2003
22 Chapitre2Dynamiquedu pointmatériel
Uncasparticuliertrèscourantetdoncimportantestl’attraction dunemassemdun objet
parlaTerredemasseMT:
¡!
FP!M=¡GmMT
R2
¡!
N(1)
avec Rladistance séparantl’objetdu centredelaTerre(ensupposantquel’on puisse consi-
dérerquelattraction delaTerreseramèneàcelledun pointMplaaucentredeTerre
etdemasseMT,ce quiseraultérieurementdémontré cetteannée).¡!
Nestlevecteurvertical
dirigédu centredelaTerreversl’objet.
Larelation(1)sécritplus simplement:
¡!
FP!M=m¡!
g
avec
¡!
g=¡GMT
R2
¡!
N:
¡!
greprésentele champ depesanteurdelaTerre; il diminueaufuretàmesurequel’on
séloignedelaTerre.Alasurface delaTerrele champest:
¡!
g0=¡GMT
R2
T
¡!
N;
avec RTlerayon delaTerre.Aunealtitudeh, le champ depesanteurestalors:
¡!
g=¡!
g0µRT
RT+h2
:
2.2.2.L’interactionCoulombienne
L’interactionCoulombienne estuneforce sappliquantentredeuxpointsMetM0de
chargesrespectivesqetq0.Commepourl’interactionNewtonienne,sonintensité estinverse-
mentproportionnelleàladistance raucarréqui les sépare.Cetteforce estdepluspropor-
tionnelleauxchargesqetq0;ellesécrit:
¡!
FM0!M=1
4¼²0
qq0
r2¡!
eM0!M:
Laconstantedeproportionnalitévaut
1
4¼²0
=9:10¡9SI:
On peutaussinoter
¡!
FM0!M=qµ1
4¼²0
q0
r2¡!
eM0!M=q¡!
E(M)
avec ¡!
E(M)le champélectrique créée parlachargeq0enM.
21 novembre2003 L.Menguy,Lycée Montesquieu,LeMans
Section2.2Lesforces23
2.2.3.L’interactionélectromagnétique
Commenousvenonsdelevoir,une chargeqen présence dun champ¡!
Ecrée uneforce
¡!
F=q¡!
E(M):
Demanièreplusgénérale, laprésence dun champélectro-magnétique(champs¡!
Eet¡!
B)
créée uneforce
¡!
F=q³¡!
E(M)+¡!
v^¡!
B(M)´:
2.2.4.Lesforcesdecontact
2.2.4.1.Réaction dun support
Considéronsun objetplasurun supportsolide.Lobjetnepeutpaspénétrerdansle
support:ilyauneforce appelée réaction du supportetnotée ¡!
RNquisyoppose.Cetteréaction
sappliquesurl’objetau niveauducontactobjet-support,etsadirectionestorthogonaleàla
surface du supportau niveau du contact.
S
RN
mg
M
Fig.2.1.
2.2.4.2.Lefrottementsolide
Considéronsànouveaulesupportprécédentsurlequelestplal’objetM.Poussonscet
objetàl’aideduneforce ¡!
Fa…n delafaireglissersurlesupport.Sicetteforce depoussée nest
pas su¢sante, l’objetnebougepas: il yaune certainerésistance au déplacement,appelée
force defrottementsolide etnotée ¡!
RT.Cetteforce soppose exactementànotrepoussée...
Toutefois,si l’on pousseavec su¢sammentd’intensité, lobjetsemetàbouger: laforce de
frottementsolidea atteintsavaleurlimitequellenepeutpasdépasser;on noterasonintensité
limiteRTlim.
L.Menguy,Lycée Montesquieu,LeMans21 novembre2003
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