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I. Cinématique
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I.1
Table des matières
1. Cinématique à une dimension...............................................................................................2
1.1 Notions élémentaires.......................................................................................................2
1.1.1 Intervalle ..................................................................................................................2
1.1.2 Axe de référence ......................................................................................................2
1.1.3 Position et espace parcouru......................................................................................2
1.2 Pour passer de la position à la vitesse, et de la vitesse à l'accélération...........................3
1.3 Pour passer de l'accélération à la vitesse, et de la vitesse à la position...........................5
1.4 Mouvement rectiligne uniformément accéléré (MRUA)................................................8
2. Cinématique à plus d'une dimension.....................................................................................9
2.1 Notions élémentaires.......................................................................................................9
2.1.1 Vecteur.....................................................................................................................9
2.1.2 Projections et composantes vectorielles...................................................................9
2.2 Un problème à n dimensions = n problèmes à une dimension......................................11
3. Ne pas oublier pour les problèmes de cinématique.............................................................13
Stéphane Swillens - édition 2009
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I. Cinématique
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I.2
1. Cinématique à une dimension
1.1 Notions élémentaires
1.1.1 Intervalle
Je pars de la maison à 7h14 et arrive à Erasme à 7h38. Combien de temps a duré le voyage?
24 min. Comment ai-je calculé cet intervalle de temps? En faisant la différence entre l'heure
d'arrivée et l'heure de départ:
initial
t
final
tt
=
1.1
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C'est tout simple, mais c'est fondamental: il ne faut pas inverser les valeurs finale et
initiale, sinon
'
.
1.1.2 Axe de référence
Je fais le voyage avec un américain qui a laissé sa montre à l'heure américaine. Sa montre
indique 0h13 au départ, et 0h37 à l'arrivée. Sa référence temporelle est donc différente de la
mienne: il utilise un axe du temps possédant une autre origine (apparemment, "son minuit"
précède "mon minuit" d'à peu près 7h). Il n'empêche que lui aussi dit que le voyage a duré 24
min.
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D'une manière générale, le résultat du calcul de l'intervalle escamote l'origine de l'axe,
c'est-à-dire, le niveau de référence.
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1.1.3 Position et espace parcouru
Le totalisateur kilométrique de la voiture indique 75816 km au départ de la maison et
75840 km à l'arrivée à Erasme. Ce sont mes positions au départ et à l'arrivée par rapport à
l'axe de référence défini par le totalisateur. Quelle distance ai-je parcourue? 24 km, résultat
obtenu en faisant la différence entre la position d'arrivée x
final
et la position de départ x
initial
.
L'espace parcouru est donné par
initial
x
final
xx
=
1.2
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I. Cinématique
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I.3
A nouveau, cet intervalle (ici, spatial) ne dépend pas du choix de l'origine de l'axe de
référence: le compteur kilométrique journalier indiquant 352 km au départ et 376 km à
l'arrivée, j'obtiens à nouveau un espace parcouru égal à 24 km.
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Enfonçons définitivement le clou: un intervalle se calcule en faisant valeur finale moins
valeur initiale, que la variable soit un temps, une longueur ou n'importe quoi d'autre (énergie,
pression, potentiel...).
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1.2 Pour passer de la position à la vitesse, et de la vitesse à l'accélération
Mon voyage peut donc être décrit de la façon suivante: au départ il est 7h14 (la référence est
ma montre) et ma position est 352 km (la référence est le compteur kilométrique journalier),
et à l'arrivée il est 7h38 et ma position est 376 km. A quelle allure ai-je voyagé? Ai-je roulé
vite, c'est-à-dire, ai-je parcouru beaucoup de kilomètres en peu de temps? J'ai en fait parcouru
24 km en 24 min, ce qui correspond donc à une vitesse (moyenne, car elle n'a pas toujours été
la même pendant le voyage) de 60 km/h. Quel calcul ai-je fait tout naturellement?
initial
t
final
tinitial
x
final
x
t
x
moyenne
v
=
= 1.3
Bien sûr, la vitesse a varié pendant le trajet. Si je voulais connaître ma vitesse à un instant
donné t (c'est la vitesse instantanée à cet instant t), il suffirait de trouver quelle est, à cet
instant t, la distance x(t) parcourue pendant un très petit intervalle de temps t.
Mathématiquement, je dois calculer cette vitesse dans le cas limite où t tend vers 0: ce
passage à la limite conduit à la notion de dérivée:
dt )t(dx
t)t(x
0t
lim)t(
einstantané
v=
=
1.4
Le calcul d'une telle dérivée requiert la connaissance de x(t), c'est-à-dire l'expression de la
position en fonction du temps. Cela dit, le principe est encore le même: qu'elle soit moyenne
ou instantanée, la vitesse est toujours le rapport entre l'espace parcouru et la durée temporelle
correspondante.
Point de vue pratique: si la position au cours du temps est donnée sous une forme analytique,
la vitesse sera déterminée en dérivant x par rapport au temps (eq 1.4). Si la position est
donnée par un graphique (généralement sous la forme d'une succession de segments de
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I. Cinématique
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I.4
droites), la vitesse en n'importe quel point d'un segment correspondra à x/t, c'est-à-dire la
pente de ce segment (fig I.1).
t (s)
01234567
x (m)
0
1
2
3
4
5
6
v = x/t = (5-3.1)/(4.8-1.3)
= 1.9/3.5 = 0.54 m/s
v = x/t = (2.8-5)/(7-4.8)
= -2.2/2.2 = -1 m/s
fig I.1
Attention: je vois que x peut être positif ou négatif suivant que le mobile va dans le sens de
l'axe Ox de référence ou dans le sens contraire. t est toujours positif car le temps s'écoule
toujours dans le même sens (le temps est irréversible). Dès lors, si x est négatif, la vitesse a
une valeur négative (pente négative).
Dans le cas des mouvements à une dimension, les mêmes techniques seront utilisées pour
déterminer l'accélération à partir de la vitesse:
initial
t
final
tinitiale
v
finale
v
t
v
moyenne
a
=
= 1.5
L'accélération mesure donc la variation de la vitesse par rapport au temps.
Pour connaître l'accélération à un instant donné (c'est l'accélération instantanée à cet instant t),
j'utilise à nouveau un passage à la limite: je fais tendre l'intervalle de temps vers une valeur
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I.5
extrêmement petite ce qui me fournit la dérivée de la vitesse v(t) par rapport au temps t:
dt )t(dv
t)t(v
0t
lim)t(
einstantané
a=
=
1.6
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Connaissant x(t), position du mobile à tout instant t, je peux déterminer la vitesse v(t) et
l'accélération a(t) à tout instant, soit par un calcul de pente lorsque les données sont sous
forme graphique, soit par un calcul de dérivée lorsque les données sont sous forme
analytique.
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1.3 Pour passer de l'accélération à la vitesse, et de la vitesse à la position
Souvent, un problème de dynamique est basé sur la connaissance des forces appliquées à un
mobile. Or, comme une force communique une accélération (que je peux aisément calculer
grâce à Newton: voir chapitre II), la résolution du problème consiste à trouver la vitesse du
mobile à partir de son accélération, puis sa position à partir de sa vitesse. C'est le problème
inverse de celui que j'ai déjà envisagé ci-dessus.
Comment, par exemple, puis-je calculer la position alors que je connais la vitesse au cours du
temps? Pour comprendre, je considère d'abord le problème simple où la vitesse est constante
dans l'intervalle de temps t. Alors, par définition de la vitesse (éq 1.3), j'ai
t.vx
=
1.7
Donc, dans un graphique où v est porté en fonction de t, l'éq 1.7 me dit que l'espace parcouru
x est donné par le calcul de la surface du rectangle de hauteur v et de base t. Par exemple,
je vois dans la fig I.2 que la vitesse vaut 0.54 m/s entre 1.3 s et 4.8 s. Je trouve donc par l'éq
1.7 que l'espace parcouru x vaut (0.54 m/s).(4.8 s-1.3 s) = 1.9 m. Attention, ce résultat ne me
dit absolument pas où le mobile se trouve au temps t = 4.8 s! Tout ce que je sais, c'est qu'il a
parcouru 1.9 m dans l'intervalle de temps 1.3 s à 4.8 s. Si je veux connaître en plus sa position
en ce temps final t = 4.8 s, je dois savoir où le mobile se trouvait au temps initial t = 1.3 s.
Alors seulement, en vertu de l'éq 1.2, je peux trouver sa position finale x
final
= x
initial
+ x.
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La détermination de la position au cours du temps nécessite la connaissance de la vitesse
au cours du temps et une condition initiale (ou plus généralement, une position à un moment
donné).
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Ainsi, sachant que x(en t=1.3s) = 3.1 m et ayant calculé x = 1.9 m, je trouve
x(en t=4.8s) = 3.1 m + 1.9 m = 5 m.
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