1 Quantité de mouvement 2 Les trois lois de Newton

Lycée Naval, Sup 2.
Mécanique 1. 2.1. Loi de la quantité de mouvement
Le résultat précédent se généralise à un système quelconque de points. Pour la
suite, on pourra assimiler un système de points ou un solide à un point matériel
s’il suffit d’étudier le mouvement de son centre d’inertie pour comprendre son
mouvement.
Principes de la dynamique newtonienne
1
1.1
Quantité de mouvement
2
Centre de masse
2.1
Les trois lois de Newton
Première loi de Newton : principe d’inertie
Définition : on appelle, centre de masse (ou centre d’inertie), le barycentre G
des points M1 (masse m1 ) et M2 (masse m2 ) défini par :
−−−→
−−−→
−−→
−−→
−−→ m1 OM1 + m2 OM2
~
m1 GM 1 + m2 GM 2 = 0 ⇔ OG =
avec O quelconque.
m1 + m2
Dans un référentiel galiléen, un corps soumis à des forces qui se compensent a
un mouvement rectiligne et
uniforme.
X
~
F~i = ~0 ⇔ ~v = cste
Le centre de masse se situe entre M1 et M2 sur la droite joignant les deux points,
d’autant plus proche de M1 que m1 m2 .
Le principe d’inertie formule l’existence de référentiels particuliers, les référentiels
galiléens à partir du mouvement d’un corps isolé. Très généralement :
i
M2
O
G
Les référentiels galiléens sont en translation rectiligne uniforme les uns par rapport aux autres.
M1
1.2
2.2
Quantité de mouvement
Les vitesses sont exprimées dans un référentiel R donné.
Deuxième loi de Newton : principe fondamental de la dynamique
Dans un référentiel galiléen, la dérivée par rapport au temps du vecteur quantité
de mouvement du système est égale à la somme des forces extérieures s’exerçant
sur le système. Mathématiquement, elle se traduit par la relation :
d~
p X~
=
Fi
dt
Définition : on appelle, quantité de mouvement d’une particule de masse m
et de vitesse ~v , la grandeur notée p~ telle que :
p~ = m~v
i
Définition : la quantité de mouvement d’un système de points matériels est
égale à la somme des quantités de mouvement des points matériels :
p~ = p~1 + p~2 = m1~v1 + m2~v2
2.3
Troisième loi de Newton : principe des actions réciproques
Si un point matériel A exerce sur un point matériel B une force f~A/B , alors le
point B exerce sur le point A une force f~B/A telle que :
→ f~A/B = −f~B/A ;
Propriété :
−−→
−−→
−−→ dOM 1
dOM 2
d −−→
p~ = m1
+ m2
=
m1 OM 1 + m2 OM 2
dt
dt
dt
−−→
d mOG
p~ =
= m~vG
dt
Propriété : la quantité de mouvement d’un système de points est la même que
celle d’un point matériel confondu avec G et où toute la masse serait concentrée.
p~ = m~vG
→ les forces ont pour direction la droite joignant les points A et B.
B
A
1
fB/A
fA/B
3
Mouvement dans le champ de pesanteur uniforme
3.1
→ Une fois le régime permanent atteint, la vitesse tend vers une valeur limite
caractérisée par :
mf m − mf
k
~vlim = 1 −
~g ⇔ ~vlim =
~g
m
m
k
Cette expression caractérise le fait que, pour la bille en déplacement inertiel, les
forces se compensent.
Mouvement de chute libre
Dans le référentiel terrestre supposé galiléen, on considère un corps de masse m
soumis uniquement à son poids.
L’application du principe fondamental de la dynamique conduit à :
L’équation différentielle prend alors la forme simplifiée :
d~
p
= P~ = m~g ⇒ m~a = m~g ⇒
~a = ~g
dt
Le mouvement de chute libre se caractérise par un vecteur accélération constant
égal à l’accélération de pesanteur terrestre (Cf. chapitre sur la cinématique).
Ceci n’est bien sûr exact que si l’on néglige les actions de l’air sur l’objet.
3.2
d~v ~v
~vlim
+ =
,
dt
τ
τ
vz
vlim
dvz
+
=
.
dt
τ
τ
Avec une vitesse initiale supposée nulle, la solution de cette équation différentielle
du premier ordre à coefficients constants est :
vz (t) = vlim 1 − e−t/τ
ou tout aussi bien en projection sur la verticale descendante :
Chute avec frottements proportionnels à la vitesse
On s’intéresse à la chute d’une bille en caoutchouc dans un fluide visqueux, la
glycéryne.
Les mesures de la position de la bille au cours du temps sont reportées sur la
figure de droite.
glycérine
uz
z(t) (m)
g
Connaissant la vitesse, on en déduit la position au cours du temps par intégration :
Z t
Z t
dz
0
0 0
0
0
−t/τ
= z (t) = vlim 1 − e
⇒
z (t )dt =
vlim 1 − e−t /τ dt0
dt
0
t0 =0
On en déduit :
0.22
0.20
0.18
0.16
0.14
0.12
0.10
0.08
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5
z(t) = z0 + vlim × t + τ vlim e−t/τ − 1
vlim
5τvlim
4τvlim
3τvlim
t (s)
2τvlim
— le système étudié est la bille ;
— l’étude est réalisée dans le référentiel terrestre supposé galiléen ;
— la bille, de masse m = 7, 5 g, est soumise à son poids P~ , à la poussée
~ (on note mf = 6, 64 g la masse de fluide déplacée) et à une
d’Archimède Π
force de frottement proportionnelle à la vitesse f~f = −k~v avec k = 0, 244 S.I.
0
τvlim
vz (t)
0
τ
2τ
3τ
t
4τ
5τ
6τ
0
z(t)−z0
0
τ
2τ
3τ
t
4τ
5τ
6τ
La constante de temps étant très faible par rapport à la durée de l’expérience,
on n’observe expérimentalement que le régime permanent et un déplacement à
vitesse constante.
Le principe fondamental de la dynamique s’écrit alors :
d~v
~ + f~f = m~g − mf ~g − k~v ⇔ d~v + k ~v = 1 − mf ~g
= P~ + Π
dt
dt
m
m
m
→ On pose τ = , la constante de temps associée au régime transitoire.
k
m
La valeur de la vitesse limite déduite de l’expression théorique est cohérente avec
le résultat des expériences.
2
3.3
Chute avec frottements proportionnels au carré de la vitesse
m
Cadre de l’étude
d~v
= m~g − kv~v
dt
⇔
d~v
k
+ v × ~v = ~g
dt
m
Une fois le régime permanent atteint, on note l’existence d’une vitesse limite ~vlim
qui vérifie :
r
k
mg
vlim × ~vlim = ~g ⇒
vlim =
avec ~vlim = −vlim ~uy
m
k
Dans le chapitre sur la cinématique, nous avons considéré le mouvement dans le
champ de pesanteur terrestre en l’absence de frottements.
La trajectoire parabolique obtenue peut s’éloigner significativement du mouvement réel en particulier dans le cas des « grandes » vitesses.
Avec les valeurs retenues vlim ' 1, 4×102 m.s−1 ; notons que l’on peut alors définir
vlim
un temps caractéristique τ =
. La vitesse limite n’est pas nécessairement
g
observée si le boulet touche le sol avant que le régime permanent ne soit atteint.
Exemple historique
Historiquement cette question était d’importance pour connaître la trajectoire
des boulets de canon et la portée du tir. Dans les traités de Diego Ufano (1610)
et de François Blondel (1685), les descriptions suivantes sont proposées pour les
trajectoires :
En projection selon l’horizontale (Ox) et la verticale ascendante (Oy), on obtient
le jeu d’équations :
dvy
dvx
kq 2
kq 2
+
vx + vy2 × vx = 0 et
+
vx + vy2 × vy = −g
dt
m
dt
m
Il s’agit d’équations différentielles non linéaires et couplées. Dans le cas le plus
général, il est nécessaire de recourir à une résolution numérique (Cf. cours d’informatique).
Résolution numérique
Avec un vecteur vitesse initial de norme v0 = 450 m/s et faisant un angle de 45◦
avec l’horizontale, on obtient les courbes suivantes.
y [m]
Dans la suite, on s’intéresse au cas des boulets de 36 livres (17,6 kg), armant les
plus gros vaisseaux de ligne français et les batteries côtières, du XVIIe siècle au
milieu du XIXe siècle.
Le boulet, de diamètre d = 174, 8 mm, lancé avec une vitesse v0 = 450 m/s
pouvait atteindre une distance maximale de 3700 m (source Wikipedia).
Système d’équations
Dans le cas des « grandes » vitesses, on montre (Cf. cours de seconde année) que
les frottements de l’air sont proportionnels au carré de la vitesse : f~ = −kv × ~v ,
avec k = Cx ρS, avec Cx le coefficient de traînée, de l’ordre de 0, 3 pour une sphère,
ρ la masse volumique de l’air et S = πd2 /4 la section frontale de la sphère.
6000
5000
4000
3000
2000
1000
0
0
dans le vide
dans l'air
5000
10000
x [m]
15000
20000
25000
On observe une trajectoire qui s’éloigne très fortement du cas parabolique idéalisé,
on obtient une portée de l’ordre de 3,0 km comme annoncé. Le modèle proposé
semble donc pertinent.
Dans le référentiel terrestre, on applique le principe fondamental de la
dynamique pour le boulet soumis à son poids, et à la force de frottement (la
poussée d’Archimède est négligée).
Les deux graphiques suivants présentent l’influence de l’angle initial et de la vitesse
initiale sur la trajectoire.
3
y [m]
1400
1200
1000
800
600
400
200
0
0
4
=45o
θ0
θ0 =40o
θ0 =30o
θ0 =20o
500
1000
1500
2000
x [m]
2500
3000
3500
4.1
Le pendule simple
Cadre de l’étude
On s’intéresse au mouvement d’une masse m assimilée à un point matériel attaché
à un fil inextensible et sans masse. On étudie le mouvement dans le référentiel
terrestre, on néglige les frottements de l’air.
fil, longueur L
4000
g
1500
1000
ur
P
v0 = vlim
v0 =3vlim
v0 =10vlim
4.2
Équation du mouvement
1000
Méthode de Résolution :
— le système étudié est le solide de masse m ;
— l’étude est réalisée dans le référentiel terrestre supposé galiléen ;
— le solide est soumis à son poids P~ et à la tension T~ du fil.
On applique le principe fondamental de la dynamique au point matériel de masse
m:
m~a = P~ + T~ = m~g + T~
1500
On projette dans la base des coordonnées polaires (~ur , ~uθ ) :
500
y [m]
uθ
M
En présence de frottements, on constate que l’angle optimal de tir n’est plus de
45◦ .
2000
T
θ
0
500
2000
0
1000
2000
3000
x [m]
4000
5000
−mLθ̇2 = mg cos θ + Tr
6000
(1) et mLθ̈ = −mg sin θ
(2)
À condition de connaître θ(t), la première équation permet d’obtenir la tension
du fil qui est une inconnue. La seconde équation est l’équation du mouvement que
l’on peut réécrire :
g
θ̈ + ω02 sin θ = 0 avec ω02 =
L
ω0 est la pulsation propre du système. Cette équation différentielle est non linéaire,
elle nécessite une résolution de type numérique dans le cas général.
Pour ce dernier graphique, il faut considérer que le tir est effectué depuis un
plateau en altitude.
Pour v0 vlim , le poids est, dans un premier temps, négligeable devant la force
de frottements, le mouvement initial est rectiligne freiné. La vitesse diminue, le
mobile change de direction pour évoluer verticalement vers le bas et atteindre
finalement un mouvement inertiel à la vitesse vlim , les frottements compensant le
poids.
4.3
Résolution numérique
On résout l’équation différentielle par une méthode numérique avec L = 1, 0 m.
La masse est lâchée sans vitesse initiale pour différentes valeurs de l’angle initial,
en radian, θ0 = {0, 1; 0, 5; 1, 0}, puis θ0 = {0, 05; 0, 1; 0, 15}.
4
1.0
0.15
0.10
θ (rad)
0.5
0.00
0.05
0.5
0.10
1
2
t (s)
3
4
5
0.15
0
1
2
t (s)
3
4
5
⇔
Y (rad)
→ L’évolution est, dans tous les cas, périodique.
→ Pour les oscillations de « grande amplitude » (courbes de gauche), on constate
que la période dépend de l’amplitude des oscillations.
→ Pour les oscillations de « faible amplitude » (courbes de droite), on constate que
la période ne dépend pas de l’amplitude des oscillations. On parle d’isochronisme
2π
des petites oscillations, la période étant égale à la période propre T0 =
.
ω0
4.4
× θ̇
θ̇2
2
!
=
−ω02
d
dt
θ2
2
⇔
d 2
θ̇ + ω02 θ2 = 0
dt
La grandeur θ̇2 + ω02 θ2 , appelée intégrale première du mouvement, est une
constante dont la valeur est déterminée à l’aide des conditions initiales ; dans le
cas présent avec θ̇(0) = 0 et θ(0) = θ0 :
!2
θ̇
+ θ2 = θ02
θ̇2 + ω02 θ2 = ω02 θ02 ⇔
ω0
!
θ̇
Pour les grandeurs Y =
et X = θ, on constate que la trajectoire de phase
ω0
est un cercle centré sur l’origine et de rayon θ0 . Les trajectoires de phase pour
θ0 = {0, 1; 0, 2; 0.3} (en rad) sont représentées ci-dessous.
0.05
0.0
1.0
0
θ̈ × θ̇ =
−ω02 θ
d
dt
Cas des petites oscillations
Linéarisation et résolution algébrique
Pour des oscillations de « faible amplitude », θ 1 rad, il est possible d’effectuer
l’approximation sin θ ' θ. L’équation différentielle prend alors la forme simplifiée :
0.4
0.3
0.2
0.1
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.4 0.3 0.2 0.10.0 0.1 0.2 0.3 0.4
X (rad)
θ̈ + ω02 θ = 0
On reconnaît l’équation de l’oscillateur harmonique ; avec les conditions initiales
θ(t = 0) = θ0 et θ̇(t = 0) = 0, on en déduit
5
θ(t) = θ0 cos (ω0 t)
Lois de Coulomb. Frottement de glissement
On considère un objet en contact avec un support.
Pour les oscillations de « faible amplitude
r», on retrouve l’isochronisme des petites
L
oscillations à la période propre T0 = 2π
.
g
RN
R
RT
Portrait de phase
support
On décompose la force de contact exercée par le support sur l’objet en deux
composantes :
~ =R
~N + R
~T
R
Le portrait de phase consiste à représenter θ̇ en fonction de θ. Pour obtenir la
relation entre ces deux grandeurs, on multiplie l’équation différentielle par θ̇ selon :
5
~ N est la composante normale à la surface du support, elle s’oppose à la
→ R
pénétration de l’objet dans le support, elle est orientée du support vers le système.
Approche numérique : Exploiter une équation différentielle sans la résoudre analytiquement : analyse en ordres de grandeur, détermination de la vitesse limite,
utilisation des résultats fournis par un logiciel d’intégration numérique.
~ T est la composante tangentielle, tangente à la surface du support. Cette
→ R
composante modélise les forces de frottement solide.
→ Pendule simple.
Établir l’équation du mouvement du pendule simple.
Justifier l’analogie avec l’oscillateur harmonique dans le cadre de l’approximation
linéaire.
Établir l’équation du portrait de phase (intégrale première) dans ce cadre et le
tracer.
Deux situations sont à distinguer :
→ En l’absence
:
de glissement
~ ~ RT < µs RN avec µs le coefficient de frottement statique
:
→ En présence
de glissement
~ ~ RT = µg RN avec µg le coefficient de frottement dynamique
~ T opposé au vecteur vitesse
et R
→ Lois de Coulomb du frottement de glissement.
Exploiter les lois de Coulomb fournies dans les trois situations : équilibre, mise en
mouvement, freinage.
Formuler une hypothèse (quant au glissement ou non) et la valider.
On effectue généralement l’approximation µs = µg = µ0 . En l’absence de frottements µs = µg = 0, la force de réaction se limite à sa composante normale.
Applications directes
AD 1. Lancer avec frottement fluide.
On lance une balle vers le haut avec une vitesse initiale de norme v0 . On suppose
que la balle est soumise en plus de son poids à une force de frottement fluide de
la forme f~ = −k~v .
Donner l’expression de l’instant t auquel la bille atteint son altitude maximale.
***********************************************************
Capacités exigibles
→ Forces. Principe des actions réciproques.
Établir un bilan des forces sur un système, ou plusieurs systèmes en interaction
et en rendre compte sur une figure.
AD 2. Lancer avec frottement solide.
Sur une table horizontale, on lance un palet de masse m = 100 g avec une vitesse
initiale de norme v0 = 2, 0 m.s−1 .
On suppose que l’interaction table-palet est caractérisée par un coefficient de
frottement solide µ = 0, 2.
Déterminer l’instant auquel le palet s’arrête ainsi que la distance parcourue.
→ Quantité de mouvement.
Établir l’expression de la quantité de mouvement d’un système restreint au cas
de deux points sous la forme p~ = m~vG .
→ Référentiel galiléen. Principe de l’inertie.
Décrire le mouvement relatif de deux référentiels galiléens.
AD 3. Détermination d’un coefficient de frottement solide.
On considère un plan incliné faisant un angle α avec l’horizontale. Un livre est
posé sur le plan incliné.
On augmente progressivement la valeur de l’angle α et on constate que le livre
commence à glisser pour un angle αc = 20◦ . Donner la valeur numérique du
coefficient de frottement µ0 .
→ Loi de la quantité de mouvement.
Déterminer les équations du mouvement d’un point matériel ou du centre d’inertie
d’un système fermé.
→ Mouvement dans le champ de pesanteur uniforme.
Mettre en équation le mouvement sans frottement et le caractériser comme un
mouvement à vecteur-accélération constant.
→ Influence de la résistance de l’air.
Approche numérique : Prendre en compte la traînée pour modéliser une situation
réelle.
6