Mouvements et Forces
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MOUVEMENTS ET FORCES 1
1. Relativité du mouvement
Pour étudier le mouvement d'un corps, il fait commencer par définir le corps avec précision.
Dans le système "Terre-Lune" par exemple, on peut choisir la Lune seule et étudier son mouvement autour de la Terre. On peut également choisir l'ensemble "Terre+Lune" et étudiée son mouvement autour du Soleil.
1.1. Comment étudier un mouvement A. Notion de référentiel
Un conducteur assis dans une voiture qui roule à 90 km/h et immobile par rapport à la voiture, mais en mouvement par rapport au sol.
De même, l'astronome qui observe le ciel avec un télescope est immobile par rapport à la terre, mais en mouvement par rapport au soleil et aux étoiles.
Pour étudier le mouvement d'un corps il faut préciser le solide choisi comme référence et appelé le référentiel.
B. Exemples de référentiels
- Référentiel terrestre
Pour étudier le mouvement d'un objet sur la terre ou au voisinage de la Terre, on choisit le plus souvent le référentiel terrestre : il est constitué par la Terre ou par tout objet fixe pour la Terre.
Dans ce référentiel, tous les corps célestes sont en mouvement. Les étoiles par exemple tout autour de l'Étoile polaire à 23h56 minutes.
Le Soleil quant à lui décrit un tour complet en 24 heures.
- Référentiel géocentrique
Pour étudier le mouvement de la Lune, d'un satellite le référentiel terrestre n'est pas adapté. On utilise le référentiel géocentrique: il est défini par le centre de la terre et des étoiles lointaines considérées comme fixes.
Dans ce référentiel toutes les étoiles semblent immobiles. Le soleil tourne autour du centre de la terre en un an.
- Référentiel héliocentrique
Pour étudier le mouvement des planètes, on utilise le référentiel héliocentrique: il est défini par le centre du soleil et des étoiles fixes.
Dans ce référentiel, c'est la Terre qui tourne autour du soleil en un an.
Remarque :
Dans un référentiel donné, tous les points d'un corps n'ont pas forcément le même mouvement. Dans la suite du cours, nous étudierons le mouvement d'un point particulier du corps, son centre par exemple s'il est symétrique.
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C. Repérer dans le temps
Pour étudier le mouvement d’un corps, il faut aussi associer une date à chaque position repérée dans le référentiel choisi.
Il faut pour cela une horloge et un instant origine (date = 0). La valeur mesurée sur l'horloge à chacune des positions radicales à la date t correspondante.
L'unité SI de temps et la seconde ().
Pour opérer un événement dans le temps il faut choisir une horloge et une origine des dates.
1.2. Caractéristiques d'un mouvement A. Trajectoire
Dans un référentiel donné on appelle trajectoire la ligne formée par l'ensemble des positions successives occupées par un point du corps étudié au cours de son mouvement.
B. Vitesse
Dans un référentiel donné, la vitesse moyenne d'un point du corps entre deux instants de dates et est égale au quotient de la distance parcourue par la durée du trajet = −
en mètre () − en seconde ()
en mètre par seconde (. )
Cas particulier:
Un mouvement est uniforme si la valeur de la vitesse est constante: le point étudié parcourt des distances égales pendant des durées égales.
Exemple:
Dans le référentiel héliocentrique le centre de la planète Vénus décrit un mouvement circulaire uniforme.
Remarque:
On appelle vitesse instantanée la vitesse un instant donné. Si le mouvement n'est pas uniforme, la vitesse instantanée change. Par exemple dans le référentiel héliocentrique la vitesse instantanée du centre de la Terre varie entre 29,3 . et 30,3 . .
C. Influence du référentiel
La trajectoire, la vitesse du mouvement observé dépendent du référentiel choisi.
Exemple: Le mouvement de Mars par rapport au soleil est circulaire uniforme mais dans le référentiel terrestre sa trajectoire n'est pas un cercle et son mouvement n'est pas uniforme.
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2. Les forces
2.1. Notion d'interaction
Deux corps sont en interaction si le mouvement de l'un dépend de la présence de l'autre et réciproquement.
La gravitation étudiée au collège est un exemple d'interaction. C’est une interaction attractive à distance.
Exemple: Io est en interaction à distance avec Jupiter. Cela signifie que chacun des deux corps exerce une action mécanique sur l'autre.
On appelle action mécanique une action capable de modifier le mouvement d'un corps.
Pour dresser un inventaire des interactions entre le corps étudié et l'ensemble des objets qui l'entoure on utilise un diagramme objet interaction.
2.2. Modélisation d'une action mécanique
Une action mécanique peut être modélisée par une force. Une force est caractérisée par une direction, un sens, une valeur exprimée en Newton ().
- Sur un schéma une force est représentée par un segment fléché dont la longueur est proportionnelle à la valeur de la force. L'orientation du segment fléché renseigne sur la direction et le sens de la force.
- Mathématiquement, on représente une force par un vecteur appelé " vecteur force», noté . La flèche sur le rappelle qu'en plus de sa valeur, la force possède une direction et un sens.
- pour représenter les forces exercées sur un corps on remplace celui-ci par un point et on place l'origine des vecteurs forcés sur ce point.
2.3. Forces et mouvement
Une force, modélisation de l'action mécanique qui s'exerce sur un corps, modifie la valeur de sa vitesse ou la direction de son mouvement.
Ainsi, la trajectoire d'une seconde est modifiée lorsqu'elle passe à proximité d'une planète ; la force exercée par la planète sur la sonde (interaction gravitationnelle) modifie aussi la valeur à sa vitesse. La sonde est accélérée si elle s'approche de la planète dans le sens du mouvement de celle-ci autour du Soleil
; elle est freinée dans le cas contraire. Cette technique, appelée "assistance gravitationnelle", est utilisée lors des missions planétaires car les réserves de combustible emportées par les satellites ne permettent que de corriger légèrement la trajectoire.
