La trajectoire et la vitesse d'un objet dépendent du corps choisi pour décrire son mouvement, le référentiel. Les actions mécaniques, qui sont susceptibles de modifier ce mouvement, peuvent être représentées sur un diagramme objet - interaction.
Rappels sur le mouvement
Le système
Avant de commencer l'étude d'un mouvement, il est nécessaire de préciser le système étudié.
Système
Le système est le corps ou l'ensemble de corps dont on étudie le mouvement. On le distingue du milieu extérieur (ou environnement).
Le mouvement d'une roue d'un véhicule et celui du véhicule ne sont pas les mêmes.
La trajectoire
Trajectoire
La trajectoire d'un objet en mouvement est le chemin suivi par l'objet.
Trajectoire d'un skieur dans la neige
On distingue plusieurs types de trajectoires, en particulier la trajectoire rectiligne et la trajectoire curviligne :
Trajectoire rectiligne
La trajectoire est rectiligne si la figure décrite par le corps est une ligne droite.
Trajectoire rectiligne d'une moto
Trajectoire curviligne
La trajectoire est curviligne si la figure décrite par le corps n'est pas une ligne droite.
Trajectoire curviligne d'un point d'une roue
Parmi les trajectoires curvilignes, on trouve notamment les trajectoires circulaires.
Trajectoire circulaire
La trajectoire est circulaire si la figure décrite par le corps est un cercle.
Trajectoire circulaire d'un point
La vitesse
Vitesse
La vitesse d'un corps est le rapport de la distance D qu'il a parcourue par la durée t écoulée :
v = \dfrac{D}{t}
Son unité est le m/s.
Un sprinteur met 12 secondes pour parcourir 100 mètres. Sa vitesse est :
v = \dfrac{D}{t}
v = \dfrac{100}{12}
v = 8{,}3 m/s
On exprime souvent la vitesse en km/h. La distance parcourue D doit alors être exprimée en kilomètres (km) et la durée écoulée t en heures (h).
Une voiture parcourt 134 km en 2 heures. Sa vitesse est :
v = \dfrac{D}{t}
v = \dfrac{134}{2}
v = 67 km/h
La nature du mouvement
Selon la manière dont varie la vitesse d'un corps, on distingue trois types de mouvements :
- Si la vitesse augmente, le mouvement est dit accéléré.
- Si la vitesse est constante, le mouvement est dit uniforme.
- Si la vitesse diminue, le mouvement est dit ralenti.
Pour donner la nature du mouvement du système, il faut indiquer son type de trajectoire (rectiligne, curviligne, etc.) et l'évolution de sa vitesse (accéléré, uniforme ou ralenti).
Au démarrage, le mouvement de la moto est rectiligne et accéléré.
Mouvement rectiligne et accéléré
La relativité du mouvement
Mise en évidence
Mouvements d'une balle
Dans un train en mouvement, on lâche, sans vitesse initiale, une balle et on observe son mouvement depuis l'intérieur et l'extérieur du train.
Vue depuis l'intérieur du train, la balle a un mouvement rectiligne et accéléré.
Mouvement de la balle vue depuis l'intérieur du train
Vue depuis l'extérieur du train, la balle a un mouvement différent, curviligne.
Mouvement de la balle vue depuis l'extérieur du train
Le mouvement du système (sa trajectoire et sa vitesse) dépend de l'objet par rapport auquel on l'étudie. On dit que le mouvement est relatif.
Les référentiels
Le mouvement d'un système étant relatif, il est nécessaire de définir l'objet, appelé référentiel, par rapport auquel on l'étudie.
Référentiel
Le référentiel est l'objet par rapport auquel on étudie le mouvement du système.
Dans l'exemple précédent, le référentiel de la première situation était le train et celui de la deuxième situation était le sol.
Trois référentiels sont à connaître :
| Défini par | Utilisé pour | |
|---|---|---|
| Référentiel terrestre | L'ensemble des objets fixes par rapport à la surface de la Terre (sol, table, etc.) | L'étude des mouvements d'objets à la surface ou dans l'atmosphère de la Terre |
| Référentiel géocentrique | Un repère ayant pour origine le centre de la Terre et 3 axes dirigés vers des étoiles lointaines considérées comme fixes | L'étude des mouvements de la Lune et des satellites artificiels autour de la Terre |
| Référentiel héliocentrique | Un repère ayant pour origine le centre du Soleil et 3 axes dirigés vers des étoiles lointaines considérées comme fixes | L'étude des mouvements des planètes et d'autres astres autour du Soleil |
Le mouvement de la Terre dépend du référentiel choisi pour le décrire :
- Dans le référentiel géocentrique, la Terre est immobile.
- Dans le référentiel héliocentrique, la Terre est en mouvement circulaire et uniforme, et en rotation sur elle-même.
Les différents types d'actions mécaniques
Notion d'actions mécaniques
Lorsqu'un objet subit une modification de son mouvement ou de sa forme, c'est qu'il a subi une action mécanique.
Action mécanique
Une action mécanique est un concept utilisé pour décrire tout phénomène provoquant une modification du mouvement d'un corps ou une déformation.
Lorsqu'un footballeur frappe un ballon initialement au repos, celui-ci va être mis en mouvement. Le ballon a donc subi une action mécanique.
Action mécanique
L'acteur et le receveur
Une action mécanique est toujours exercée par un objet (l'acteur ou le donneur) sur un autre objet (le receveur).
Acteur
L'acteur (ou le donneur) est le système à l'origine de l'action mécanique.
Dans l'exemple précédent, l'acteur est le footballeur.
Receveur
Le receveur est le système subissant l'action mécanique.
Dans l'exemple précédent, le receveur est le ballon.
Les deux types d'actions mécaniques
Il existe deux types d'actions mécaniques :
- Les actions de contact qui ne s'exercent que lors du contact entre l'acteur et le receveur.
- Les actions à distance qui peuvent s'exercer même si l'acteur et le receveur ne sont pas en contact.
La Terre attire le ballon vers le bas, même si elle ne le touche pas, il s'agit donc d'une action à distance.
Le footballeur et le sol, qui le retient, exercent sur le ballon des actions de contact.
Le diagramme objet - interaction
Les diagrammes objet - interaction permettent de représenter les interactions existant entre un objet que l'on a décidé d'étudier et d'autres objets.
Dans la situation précédente, si on étudie le ballon, le diagramme objet - interaction est :
Diagramme objet - interaction
Généralement, dans les diagrammes objet - interaction, les actions de contact sont représentées par des flèches pleines, alors que celles à distance sont représentées par des flèches en pointillés.