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Chapitre1
Cinématiquedu pointmatériel
1.1.Introduction
1.1.1.Domained’étude
Leprogrammedemécaniquedemathsup selimiteàl’étudedelamécanique classique.
Sontexclus: larelativité etlamécaniquequantique.
Lacinématique consisteuniquementàdécrirelestrajectoiresdepointsenmouvement,
sans soccuperde ce quipeutêtrelacausedeleurmouvement.Lelienentrelacausedes
mouvements(lesforces)etlestrajectoires seral’objetdu chapitresuivant (dynamiquedu
pointmatériel)
1.1.2.Un peu d’histoire
Lamécaniqueaété étudiédepuisplusieursmillénairesparlhomme,en particulierpour ré-
pondreauxbesoinsdelaconstruction.Leségyptiensparexempleontdéveloppélestechniques
permettantdéleverdelourdescharges.
Ladéveloppementdelapartiethéoriquedelamécaniquen’intervientquerelativement
récemment. Quelquesdatespeuventêtre citées:
-1638 :Galilée publiediscoursetdémonstrations,deuxsciencesnouvelles,ouvragedans
lequel il abordelesproblèmesderésistance desmatériauxetdemouvementdescorpspesant
notamment,en dé…nissantmathématiquementlavitesse etl’accélération;
-1657 :Huygensmetau pointlapremièrehorlogeàbalancier,ainsiquelapremièremontre
àbalancieretressortspiral ;
-1687 :Newton publiePrincipesmathématiquesdephilosophienaturelle,ouvrage capital
quiestlefondementdelamécanique classique.
En…n auxXVIIIiµemeetXIXiµemesiècles,des savantstelsquedAlembert,Lagrange,
Coriolisetdautres,formalisentlathéoriepourl’ameneràlathéorie classiquetellequonla
connaîtaujourdhui.
Lesdéveloppementsdelarechercheactuelle enmécanique classiquesappuient toujours
surlesmêmeséquationsfondamentales;toutefoislesproblèmesétudiés sontpluscomplexes,
commeparexemplelesvibrationsdansdes solides(voitures), lescorps sontpluscomplexes
commelesproblèmesde corpsdéformables, lamécaniquedes‡uides(turbulencesparexemple);
on peutciteraussi lesétudes surlesrésistancesdesmatériaux.Cenesontlàquequelques
exemples,maisleséquationsfondamentalesnesontpasremisesencause.
L.Menguy,Lycée Montesquieu,LeMans21 novembre2003
8Chapitre1Cinématiquedu pointmatériel
1.2.Repéragedun point;systèmesusuelsde
coordonnées
1.2.1.Choixd’un sysmedecoordonnées
Lespace contient3dimensions;celasigniequ’il faut3coordonnéespourdé…nirlaposition
dun pointMdansl’espace.
Lapremière étape consisteàchoisirun pointquiserviraderéférence :cestlepoint
originenotéO.
LepointMestalorsrepérépar rapportàO:on note¡!
r=¡¡!
OMlevecteurposition de
M.
Ilresteàrepérerlevecteur¡¡!
OM;ilfautpourceladé…nirunebasevectoriellenotée
(¡!
e1;¡!
e2;¡!
e3).
Levecteur¡¡!
OMpeutalors sedécomposerdanscettebase en:
¡¡!
OM=u1¡!
e1+u2¡!
e2+u3¡!
e3:
(u1;u2;u3)sontlescoordonnéesdu vecteur¡¡!
OMdanslabase(¡!
e1;¡!
e2;¡!
e3).
Toutefois,pourdesraisonspratiques(en particulierlorsde calculsdeproduits scalaireset
produitsvectoriels),ilestimportantquelabaseutilisée soitorthonormée directe.
Orthonormée signie:
-ortho:
¡!
e1:¡!
e2=0;
¡!
e1:¡!
e3=0;
¡!
e2:¡!
e3=0;
-normé:
k¡!
e1k=k¡!
e2k=k¡!
e3k=1:
Cettebase estdeplusdirectesi :
¡!
e1^¡!
e2=¡!
e3;
¡!
e2^¡!
e3=¡!
e1;
¡!
e3^¡!
e1=¡!
e2:
Remarque1.1Labaseorthonormée étantdirecte,larègledestroisdoigtspeut-êtreuti-
lisée (cfexplicationenclasse).
Ilest trèsimportantdebienchoisirlesystèmede coordonnéesdanslequel ladescription
du problèmevaêtrefaitepoursimplierlescalculs.
Dansleplan parexemple,on pourrautiliser2 axesxetyetrepérerainsi lepointMétudié.
Toutefois,si lemouvementdeMestcirculaire, l’utilisation dexetyseracompliquée :ilvaudra
mieuxrepérerlepointparsadistance depuisle centreO(rayonr),etl’angleparcouru.Cest
ce quel’onappellelescoordonnéespolaires.
Pourun mouvementàtroisdimensions surlaTerre,ilestusuel(etplus simple!)derepérer
un pointparsalatitude,salongitude etsonaltitude(cestce quel’onva appelerlesystème
de coordonnées sphériques).
21 novembre2003 L.Menguy,Lycée Montesquieu,LeMans
Section1.2Repéragedun point;systèmesusuelsde coordonnées9
1.2.2.Lesdi¤érents sysmesdecoordonnées
1.2.2.1.Lescoordonnéescartésiennes
Soitun pointxeO(appeléorigine),etunebaseorthonormée directe(¡!
ex;¡!
ey;¡!
ez)xe.
O
M
ex
ey
ez
Fig.1.1.Coordonnéescartésiennes
Levecteurpositionsenote:
¡¡!
OM=x¡!
ex+y¡!
ey+z¡!
ez;
lescoordonnéescartésiennes sont(x;y;z).
1.2.2.2.Lescoordonnéescylindriques(oucylindro-polaires)
Denombreuxproblèmespossèdentun axeprivilégié,etl’utilisationdusystèmede coor-
donnéescartésiennesestalorspeujudicieuse.Un pointenrotationautourdun axe(surun
manègetournantparexemple)estplusaisémentrepéréparsadistance aucentre,etparun
anglederotationautourdel’axe.Cestpourfaciliterlétudedecegenredeproblèmesque
sontintroduiteslescoordonnéescylindriques.
Soitun pointxeorigineOetlesystèmede coordonnéescartésiennes(O;x;y;z)précé-
demmentdé…ni. SoitMun pointquel’onchercheàrepérer.Laxeprivilégiédu problème est
plasuivant(Oz)(parexemplel’axederotation du manège).SoitHleprojetédeMsurle
plan(O;x;y),etZleprojetédeMsurlaxe(Oz):
LepointMestrepérépar:
-rladistance deMàl’axe(Oz),soitladistance ZMouencoreOH;
-µl’angle(¡!
Ox;¡¡!
OM);
-zladistance HM,soitencoreladistance OZ.
restappelérayon polaire;µestl’anglepolaire etzlacote.
Laposition de chaquepointdoit toutefoisêtretoutefoisdé…nieparun uniquetriplet
(r;µ;z).rnevariedoncquede0à+1;µvariede0à2¼;zvariede¡1à+1.
Remarque1.2Cesystèmede coordonnéesestuneversionà3dimensionsdusystème
de coordonnéespolaires:zestla hauteurdupointMpar rapportauplan(Oxy),puis(r;µ)
sontlescoordonnéespolairesdeMdansleplanz=cte.
L.Menguy,Lycée Montesquieu,LeMans21 novembre2003
10 Chapitre1Cinématiquedu pointmatériel
O
M
ez
H
z
x
y
eθθ
er
ez
er
eθθ
ez
r
θ
r
Fig.1.2.Coordonnéescylindriques
Remarque1.3rnestjamaisnégatif (cestunedistance),caralorslespointsde coordon-
nées(r;µ;z)et(¡r;µ+¼;z)seraientlesmêmes: ilyauraitalorsplusieurscoordonnées
di¤érentespermettantdedénirla positiondunpointdonné.
Ilresteàdé…nirunebaselocaleassociée àce systèmede coordonnéescylindriquesetnotée
(¡!
er;¡!
eµ;¡!
ez):
-¡!
er=¡¡!
OH=OH=¡!
ZH=ZH;cestlevecteur radial ;
-¡!
ezestlemêmevecteurquencoordonnéescartésiennes;
-¡!
eµestun vecteurtelquelabase(¡!
er;¡!
eµ;¡!
ez)soitorthonormée directe,ce quisignie
¡!
eµ=¡!
ez^¡!
er;cestlevecteurorthoradial.
Remarque1.4Pour repérerlesdirectionsetles sensdesvecteursdelabase cylindrique, il
su¢tdesesouvenirdelaremarquesuivante:
-sirestaugmentéàr+¢r,toutengardantµetzconstants:lepointMsedéplace dans
la directionde¡!
er;
-siµestaugmentéàµ+¢µ,toutengardantretzconstants:lepointMsedéplace dans
la directionde¡!
eµ;
-sizestaugmentéàz+¢z,toutengardantretµconstants:lepointMsedéplace dans
la directionde¡!
ez.
Remarque1.5Ilfautbienremarquerquelabase(¡!
er;¡!
eµ;¡!
ez)estmobile!Lesvecteurs¡!
er
et¡!
eµontunedirectionchangeante quandlepointMsedéplace.
Levecteur¡¡!
OMsécritalors:
¡¡!
OM=r¡!
er+z¡!
ez:
Ilestimportantdenoterquelevecteur¡¡!
OMna aucune composantesuivant¡!
uµ.Celavient
justementdu faitque¡!
ersuitlemouvementdeM.Pourtant,pour repérerlaposition du point
M, ladonnée del’angleµestnécessaireaumêmetitrequeladonnée deretz.
21 novembre2003 L.Menguy,Lycée Montesquieu,LeMans
Section1.2Repéragedun point;systèmesusuelsde coordonnées11
1.2.2.3.Lescoordonnées sphériques
Prenonscomme exempleun pointMrepéréàlasurface delaTerre.Laméthodelaplus
facilepour repérerce pointestl’utilisation dedeuxanglesappeléslatitude etlongitude.Plus
généralement,pourtoutmouvementdeMautourdun pointOparticulier,ilestpréférable
derepérerMpar3coordonnéesquisont: ladistance depuisO,etdeuxanglesderotation
autourdeO.Cecinousamèneàdé…nirlesystèmede coordonnées sphériques.
Soitun pointxeorigineOetlesystèmede coordonnéescartésiennes(O;x;y;z)précé-
demmentdé…ni. SoitMun pointquel’onchercheàrepérer.SoitHleprojetédeMsurle
plan(O;x;y)(voirgure1.3):
LepointMestrepérépar:
-rladistance deMau pointO;
-µl’angle(¡!
Oz;¡¡!
OM);
-'l’angle(¡!
Ox;¡¡!
OH):
restappelérayon;µestlacolatitude,'lalongitudeoul’azimut.
O
M
H
z
x
y
er
eθθ
eϕϕ
r
θ
ϕ
Fig.1.3.Coordonnées sphériques
Laposition de chaquepointdoit toutefoisêtredé…nieparun uniquetriplet(r;µ;').rne
variedoncquede0à+1;µvariede0à¼et'variede0à2¼.
Remarque1.6Demême quencoordonnéescylindriques,rnestjamaisnégatif.
Dautrepart'variantde0à2¼, ilsu¢tdefaire varierµde0à¼pourpouvoirbalayer
touteslesdirectionsdelespace unefoisetuneseule.
Ilresteàdé…nirunebaselocaleassociée àce systèmede coordonnéescylindriquesetnotée
(¡!
er;¡!
eµ;¡!
e'):
-¡!
er=¡¡!
OM=OM;
-¡!
eµestdansleplan(Oz;OM)etorthogonalà¡!
erpointédanslesensdesµcroissants;
-¡!
e'estdansleplan(Ox;Oy)telque¡!
e'=¡!
er^¡!
eµ.
Remarque1.7Pour repérerlesdirectionsetles sensdesvecteursdelabase cylindrique, il
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