Chapitre 7
Rotation
moment cin´etique
et loi de conservation 3
2
Objectifs d’apprentissage du chapitre
Connaissances
Nuance entre le moment cin´etique et le moment angulaire. Notions de mo-
ment cin´etique orbital et de moment cin´etique intrins`eque (spin).
D´efinition et propri´et´es du moment d’une force. Nullit´e du moment des forces
radiales et centrales. Condition d’´equilibre pour les mouvements de rotation.
D´efinition du moment angulaire. Th´eor`eme du moment cin´etique.
Conservation du moment angulaire. Comparaison translation - rotation.
Applications `a la loi des aires et au mouvement sur une ellipse.
Comp´etences
Savoir calculer le moment d’une force (C7.1).
Savoir appliquer la conservation du moment cin´etique pour obtenir des in-
formations simples (C7.2).
ˆ
Etre capable de d´emontrer la loi des aires (seconde loi de Kepler).
Pouvoir expliquer qualitativement les variations de vitesses d’un satellite sur
une orbite elliptique.
Outils math´ematiques – Formulations math´ematiques des rotations : repr´e-
sentation matricielle et rotation infinit´esimale.
Lecture conseill´ee
Notions de physique Young et Freedman (2013)
Mouvement de rotation ch.9.1-3 p278-288
Moment d’une force ch.10.1 p308-311
Moment cin´etique ch.10.5-6 p322-328
3
7.1 Introduction
La rotation intervient `a toutes les ´echelles, du mouvement de l’´electron dans
les atomes au mouvement des ´etoiles dans les galaxies. La plupart des corps
ont des mouvements de translation et de rotation. En fait, tout mouvement
peut-ˆetre d´ecompos´e en une somme de translations et de rotations.
Dans ce chapitre relativement court, nous nous int´eressons au mouvement
de rotation d’un point mat´eriel. La rotation d’un ensemble de points ou d’un
corps rigide autour de son centre de gravit´e peut ˆetre ´etudi´ee dans un cours de
m´ecanique des solides. Les notions que nous allons introduire ici sont
indispensables `a la compr´ehension de la physique du solide mais aussi `a celle
des interactions fondamentales. En particulier, la conservation du moment
cin´etique joue un rˆole crucial dans la dynamique des forces fondamentales qui
interviennent dans la plupart des domaines de la physique.
Pr´ec´edemment, nous avons mentionn´e que les propri´et´es d’invariance par trans-
lation des ´equations de la dynamique amenaient `a la conservation de certaines
quantit´es physiques. L’homog´en´eit´e du temps, ou invariance par translation
dans le temps, ´etait associ´ee `a la conservation de l’´energie. L’´energie est une
grandeur scalaire, ce qui correspond `a la conservation d’un unique nombre.
L’homog´en´eit´e de l’espace, ou invariance par translation spatiale, ´etait associ´ee
`a la conservation de l’impulsion. L’impulsion est une grandeur vectorielle, ce qui
correspond `a la conservation de trois nombres car l’espace a trois dimensions.
Cette multi-dimensionnalit´e de l’espace conduit `a une nouvelle propri´et´e
appel´ee «isotropie de l’espace », qui traduit le fait qu’il n’existe pas de direc-
tion privil´egi´ee dans l’espace. En vulgarisant, on peut dire que si une exp´erience
physique donne un certain r´esultat, une exp´erience similaire o`u l’on «tourne »
l’ensemble du dispositif exp´erimental fournira le mˆeme r´esultat. Cette propri´et´e,
non intuitive, des ph´enom`enes de rotation li´ee `a l’isotropie de l’espace am`ene
`a la conservation d’une nouvelle quantit´e appel´ee «moment cin´etique »ou
«moment angulaire ». Le moment cin´etique est un vecteur et sa conservation
correspond donc `a la constance de trois nombres.
En fait, la situation est encore plus complexe si l’on rentre dans le monde
microscopique ou dans celui de la physique th´eorique/math´ematique. Il existe
une nuance importante entre le moment cin´etique et le moment angulaire. Par
exemple, au niveau microscopique, il apparaˆıt que les particules ´el´ementaires
poss`edent en plus de leurs propri´et´es intrins`eques de masse et de charges (´elec-
triques et «nucl´eaires »), une autre propri´et´e appel´ee «spin »qui est un
moment cin´etique intrins`eque, que l’on vulgarise souvent en disant que les ´elec-
trons et autres particules ´el´ementaires tournent sur elles-mˆemes afin d’associer
une image `a notre ignorance. Les particules ´el´ementaires ´etant suppos´ees ˆetre
ponctuelles (dimension 0) cette rotation sur soi-mˆeme n’a aucun sens.
Cependant, le spin est mesurable et est associ´e `a plusieurs propri´et´es
fondamentales, comme les propri´et´es magn´etiques qui se manifestent lorsque
les particules sont plong´ees dans un champ magn´etique, ou comme les propri´e-
t´es «statistiques »associ´ees `a la notion de «superposition des ´etats »stipulant
qu’on peut «empiler »des photons (spin entier) mais pas des ´electrons (spin
4Rotation et Moment cin´etique
demi-entier). Le moment cin´etique est la somme (vectorielle) du spin et du
moment angulaire, mais ceci est une autre histoire. Nous nous limiterons ici `a
l’´etude du moment angulaire appel´e aussi moment cin´etique «orbital ».
En physique th´eorique, on associe `a l’homog´en´eit´e du temps, `a l’homo-
g´en´eit´e de l’espace et `a l’isotropie de l’espace ce qu’on appelle les sym´etries
de l’espace-temps. La branche des math´ematiques qui r´egule les propri´et´es de
sym´etrie d’un syst`eme est la th´eorie des groupes. Il apparaˆıt que les objets
math´ematiques qui d´ecrivent les particules physiques sont tr`es contraints, on
ne peut pas faire n’importe quoi ! Un des r´esultats majeurs de la physique
fondamentale du XXesi`ecle est que l’ensemble des particules de mati`ere (les
´electrons, protons, neutrons et quarks qui constituent les atomes et donc la
mati`ere) doivent ˆetre des particules de spin 1
2qu’on appelle fermions (et sont
d´ecrits par des objets math´ematiques appel´es «spineurs »). Les particules d’in-
teraction qui symbolisent l’action des forces fondamentales (comme le photon
pour l’interaction ´electromagn´etique ou les gluons pour l’interaction nucl´eaire
forte) doivent ˆetre de spin entier (spin 1), on les appelle des bosons (et sont
d´ecrits par des objets math´ematiques appel´es «tenseurs »)...
Il est normal que tout ceci vous paraissent obscur car c’est au niveau mas-
ter que l’on peut ´etudier de fa¸con fondamentale les propri´et´es des rotations,
l’isotropie de l’espace et le spin des particules. Retenez simplement que les
propri´et´es de l’espace et du temps fournissent des lois de conservation tr`es pra-
tiques, et que derri`ere se cache toute une structure math´ematique qui constitue
l’ossature de notre interpr´etation actuelle du monde physique...
Ici, nous allons seulement ´etudier le moment cin´etique et sa possible conser-
vation, `a travers une autre quantit´e physique appel´ee «moment d’une force ».
Exercices de cours C7.0
Faire `a nouveau les exercices de cours du chapitre 2 : C2.4, C2.5, C2.6 et C2.7,
qui doivent ˆetre parfaitement maˆıtris´es `a pr´esent.
7.2 Moment d’une force
7.2.1 Intuition et d´efinition
Exemple 1 :
Votre petit neveu est sur un tourniquet et il souhaite que vous le fassiez tour-
ner. Quelle est la direction de la force que vous devez appliquer pour donner un
mouvement de rotation au tourniquet ?
Si la force est radiale (
Fρ
uρ) rien ne se passe. Le plus efficace est d’appli-
quer une force tangentielle :
Fφ
uφ. Ceci est scematis´e sur la figure 7.1.
Exemple 2 :
Votre oncle vous demande de d´eplacer un gros rocher. A main nue cela vous est
impossible, alors il vous prˆete une barre `a mine afin de l’utiliser comme bras
de levier et un rondin de bois pour servir d’axe. Faut-il placer le rondin le plus
loin possible (figure 7.2a) ou le plus pr`es possible (figure 7.2b) du rocher afin
de peut-ˆetre r´eussir `a le d´eplacer ?
Moment d’une force 5
ρ
u
r
y
x
O
φ
u
r
θ
F
r
φ
F
r
ρ
F
r
M
θ
φ
sinFF
=
Figure 7.1 – Mouvement de rotation et moment d’une force : tourniquet.
Le plus efficace est d’avoir le bras de levier le plus grand possible, c’est `a dire
d’avoir une distance maximale entre l’action de notre force et le centre de
rotation (cas de la figure 7.2b).
O
F
r
M
(a)
(b)
O
F
r
M
Figure 7.2 – Mouvement de rotation et moment d’une force : bras de levier.
Ces deux exemples illustrent les popri´et´es contenues dans le «moment d’une
force »qui caract´erise la capacit´e `a tourner (`a entrer en mouvement de rota-
tion) du syst`eme physique. Le premier exemple montre que la direction de la
force joue un rˆole fondamental : le moment d’une force est donc une grandeur
vectorielle. Le deuxi`eme exemple montre que le moment de la force est propor-
tionnel `a la distance entre le point d’application Mde la force et le centre de
rotation O, soit la norme du vecteur position
r. Avec cette information, en
revenant sur l’exemple 1, on voit que la force tangentielle est proportionnelle
au sinus de l’angle entre
ret la force
F. On en d´eduit que le moment d’une
force doit ˆetre proportionnel au produit vectoriel entre
ret
F!
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