⚛ Physique-Chimie · Physique Seconde Générale · Chapitre 3

Mouvement et principe d'inertie

Principe d'inertie, forces qui se compensent, lien entre variation du vecteur vitesse et somme des forces.

1. Le principe d'inertie

Pourquoi un palet de hockey glisse-t-il si longtemps sur la glace ? Pourquoi est-on projeté vers l'avant quand un bus freine ? Ces situations s'expliquent par le principe d'inertie, énoncé par Galilée puis Newton.

Propriété · Principe d'inertie

Dans un référentiel galiléen (le référentiel terrestre l'est en bonne approximation), si les forces qui s'exercent sur un système se compensent ($\sum \vec{F} = \vec{0}$), alors le système est immobile ou en mouvement rectiligne uniforme, et réciproquement.

Expérience · Le mobile autoporteur

Matérieltable horizontale, mobile autoporteur (palet sur coussin d'air, sans frottements), système d'enregistrement des positions.
ProtocoleOn lance le mobile sur la table horizontale puis on le lâche. On enregistre ses positions à intervalles réguliers ($\Delta t = 40$ ms).
PRvue de dessus de la table
Positions alignées et équidistantes : le mouvement est rectiligne uniforme.
ObservationUne fois lâché, le mobile décrit une ligne droite à vitesse constante.
InterprétationLe poids $\vec{P}$ et la réaction $\vec{R}$ de la table (sans frottements) se compensent : conformément au principe d'inertie, le mouvement est rectiligne uniforme. Aucune force n'est nécessaire pour entretenir un mouvement !

Attention · Une idée fausse

On croit souvent qu'il faut une force pour maintenir un mouvement. En réalité, une force sert à modifier le mouvement. Si un objet ralentit sur le sol, c'est à cause des frottements.

2. Forces et variation de la vitesse

Propriété · Contraposée

Si le vecteur vitesse varie (valeur ou direction), alors les forces ne se compensent pas.

Propriété · Sens de la variation

La variation du vecteur vitesse $\Delta \vec{v} = \vec{v}_{i+1} - \vec{v}_i$ a la même direction et le même sens que la somme des forces $\sum \vec{F}$. Pour une même somme des forces, $\Delta \vec{v}$ est d'autant plus petit que la masse est grande.

v?v?P?v
Balle lancée (sans frottement de l'air) : la seule force est le poids ; ?v est vertical vers le bas, comme P.

Exemple · Situations courantes

  • Voiture qui accélère en ligne droite : la force motrice l'emporte sur les frottements, $\Delta \vec{v}$ est vers l'avant.
  • Voiture qui prend un virage à vitesse constante : $\Delta \vec{v}$ est dirigé vers l'intérieur du virage, les forces ne se compensent pas.

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Exercices corrigés

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1

Le livre posé

★☆☆

Un livre est immobile sur une table. Quelles forces s'exercent sur lui ? Que peut-on dire de ces forces ?

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2

Le parachutiste

★★☆

Un parachutiste descend verticalement à vitesse constante. Comparer son poids et la force de frottement de l'air.

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3

Vitesse sur une chronophotographie

★★★

Sur une chronophotographie ($\Delta t = 0{,}04$ s), deux positions successives sont distantes de $2{,}4$ cm (échelle réelle). Calculer la vitesse. Si les écarts restent égaux sur une droite, que conclure sur les forces ?

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4

Freinage brusque

★☆☆

Dans un bus qui freine brusquement, les passagers debout sont projetés vers l'avant. Expliquer.

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5

Palet de hockey

★★☆

Un palet glisse sur une glace. S'il n'y avait aucun frottement, que se passerait-il ? Pourquoi s'arrête-t-il en réalité ?

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6

Voiture à vitesse constante

★☆☆

Une voiture roule à $90$ km/h sur une route droite et horizontale. Que dire des forces qui s'exercent sur elle ?

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7

Virage

★★☆

La même voiture prend un virage à $90$ km/h. Les forces se compensent-elles ? Vers où est dirigée leur somme ?

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8

Balle lancée verticalement

★★☆

On lance une balle verticalement vers le haut (frottements négligés). Quelle est la seule force ? Comment varie la vitesse à la montée ? à la descente ?

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9

Ascenseur

★★☆

Un ascenseur monte à vitesse constante. Comparer la tension du câble et le poids de la cabine. Même question quand il démarre vers le haut.

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10

Masse et inertie

★★☆

On pousse avec la même force, pendant la même durée, un chariot vide puis un chariot chargé. Lequel acquiert la plus grande vitesse ?

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11

Satellite

★★★

Un satellite tourne autour de la Terre sur une orbite circulaire à vitesse constante. Les forces se compensent-elles ? Justifier.

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12

Dans l'espace

★★☆

Une sonde spatiale, loin de tout astre, coupe ses moteurs. Que devient son mouvement ?

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13

Tirer une nappe

★★☆

Expliquer pourquoi on peut retirer très vite une nappe sans renverser la vaisselle posée dessus.

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14

Chronophotographie et forces

★★☆

Une chronophotographie montre des positions alignées dont les écarts diminuent. Que dire de la somme des forces ?

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15

Skieur sur un téléski

★★★

Un skieur est tiré par une perche à vitesse constante en ligne droite sur une pente. Nommer les forces et dire ce qu'on peut en conclure.

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16

Goutte de pluie

★★☆

Une goutte de pluie atteint une vitesse limite constante. Représenter qualitativement les deux forces qui s'exercent sur elle.

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17

Calcul de variation de vitesse

★★★

Une bille lâchée a une vitesse de $0{,}98$ m/s à $t = 0{,}10$ s et de $1{,}96$ m/s à $t = 0{,}20$ s. Calculer $\Delta v$ puis $\dfrac{\Delta v}{\Delta t}$. Comparer à $g$.

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18

Ceinture et appuie-tête

★★☆

Lors d'un choc arrière, la voiture est brusquement poussée vers l'avant. Expliquer le rôle de l'appuie-tête.

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19

Galilée

★☆☆

Aristote pensait qu'un objet s'arrête dès qu'on cesse de le pousser. Quelle expérience du cours contredit cette idée ?

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20

Vrai ou faux

★★☆

a) Un objet immobile n'est soumis à aucune force. b) Si les forces se compensent, l'objet est immobile. c) Un objet en virage à vitesse constante subit des forces qui ne se compensent pas.

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