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Mouvement et forces

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Objectifs :

Un système (un objet ou un être vivant) peut être à la fois immobile et en mouvement. Comment cela est-ce possible ?
Il y a un lien direct entre les forces auxquelles un système est soumis et son mouvement. Mais est-ce que tout système en mouvement est toujours soumis à une force particulière qui régit ce mouvement ? Est-ce qu'un système soumis à des forces qui se compensent est toujours immobile ?

1. Le mouvement

a. Caractéristiques d'un mouvement

Le mouvement d’un système est décrit par 2 caractéristiques :

• Sa trajectoire : Ensemble des positions successives prises par le système au cours de son mouvement.
Exemples : La trajectoire décrite par la Lune en révolution autour de la Terre est un cercle : trajectoire circulaire. Une trajectoire qui forme une droite est rectiligne.

• Sa vitesse moyenne entre 2 instants ou sa vitesse instantanée à un instant bien précis. Si au cours du mouvement, la vitesse ne varie pas, le mouvement est uniforme.
Exemples : Un marcheur a parcouru une distance d = 4,8 km entre t₁ = 14 h 03 min et t₂ = 14 h 55 min. Sa vitesse moyenne entre t₁ et t₂ est

.

En revanche, un podomètre indique qu’à l’instant 14 h 32 min, il avait une vitesse instantanée de 3,8 km/h.

b. Caractère relatif du mouvement

La forme de la trajectoire et la vitesse dépendent du repère par rapport auquel on étudie le mouvement. C’est pourquoi, pour décrire le mouvement d’un système, il faut toujours préciser par rapport à quel repère ou référentiel on l’étudie.

Exemple : Un chauffeur de taxi roule sur autoroute à la vitesse de 120 km/h. Par rapport à l’autoroute, le chauffeur est en mouvement, à la vitesse de 120 km/h. En revanche, par rapport à son taxi, il est immobile (sa vitesse est nulle).

2. Les forces

Tout système placé au voisinage de la Terre est soumis à une ou plusieurs forces. Une force est une action mécanique exercée par un système 1 sur un système 2.

Exemples : Un style posé sur une table est soumis à 2 forces :
• Son poids : force de pesanteur exercée par la Terre sur le stylo.
• La réaction de la table : force exercée par la table sur le stylo.

3. Lien entre forces et mouvement : le principe d'inertie

Énoncé du principe d’inertie : Tout système qui est soumis à des forces qui se compensent conserve son immobilité ou son mouvement rectiligne et uniforme.

De même, tout système qui est immobile ou en mouvement rectiligne et uniforme est forcément soumis à des forces qui se compensent.

Exemples : Reprenons l’exemple du stylo immobile posé sur une table. Puisque le stylo est immobile, d’après le principe d’inertie, les deux forces auxquelles il est soumis, son poids et la réaction de la table, se compensent.

De la même manière, un mobile auto-porteur en mouvement sans frottement sur une table à coussin d’air est soumis à 2 forces : son poids et la réaction de la table qui se compensent. D’après le principe
d’inertie, le mobile est forcement alors en mouvement rectiligne et uniforme.

Remarque : En revanche, si un système est soumis à des forces qui ne se compensent pas, il n’est ni immobile, ni en mouvement rectiligne et uniforme.

De même si un système n’est ni immobile, ni en mouvement rectiligne et uniforme, c’est que s’exercent sur lui une seule force ou des forces qui ne se compensent pas.

Exemple : Une bille, lâchée sans vitesse initiale, qui tombe en chute libre, n’est soumise qu’à son poids (on néglige les frottement) ; aucune autre force compense le poids. Son mouvement est rectiligne mais il n’est pas uniforme, il est accélère.

L'essentiel

La connaissance des caractéristiques des forces qui s’exercent sur un système permet de prévoir, grâce au principe d’inertie, son mouvement : si ces forces se compensent, le système est soit immobile, soit en mouvement rectiligne et uniforme.

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