Caractériser le mouvement d'un objet

La caractérisation d'un mouvement est primordiale en physique. Elle permet de décrire et comprendre le mouvement des objets dans notre environnement. En effet, le mouvement d’un objet est un phénomène que l’on observe tous les jours : une voiture qui roule, une balle qui tombe, ou même une personne qui marche. En physique, il est important de décrire et caractériser ces mouvements pour mieux les comprendre.

I. Relativité du mouvement

1. Introduction

• Dire d'un objet qu'il est immobile ou en mouvement n'a aucun sens si on ne précise pas par rapport à quoi : la notion d'immobilité ou de mouvement est relative à l'observateur.

• Dans le langage courant, nous nous référons implicitement au sol lorsque nous disons qu'un objet est immobile ou en mouvement mais cela ne suffit pas pour étudier toutes les situations physiques.

• Pour étudier le mouvement, les physiciens doivent donc définir un cadre de référence, appelé le référentiel, qui précise le point de vue adopté sur le monde physique.

2. Référentiel

• Un référentiel correspond :

  $\circ\quad$ A un solide de référence (ou encore à un ensemble de points immobiles les uns par rapport aux autres) par rapport auquel on observe et on décrit le mouvement des corps ;

  $\circ\quad$ D'autre part on suppose que l'on dispose d'horloges pour mesurer les durées et dater les événements (en utilisant un chronomètre par exemple).

• Remarques :

  $\circ\quad$ Choisir un référentiel, c'est donc choisir un solide immobile par définition (ou encore un ensemble de points immobiles) servant de référence pour décrire le mouvement des corps.

  $\circ\quad$ On essaie en général de choisir le référentiel dans lequel le mouvement est le plus simple.

• Exemples de référentiels :

  $\circ\quad$ L'ensemble des objets fixes par rapport à la Terre constitue le référentiel terrestre (exemple : la salle de classe) ;

  $\circ\quad$ Référentiel géocentrique : solide imaginaire formé par le centre de la Terre et le centre de 3 étoiles lointaines.

• Utilisation des référentiels :

  $\circ\quad$ Sauf indication contraire, l'étude du mouvement se fait dans le référentiel terrestre lorsque les mouvements ont lieu à la surface ou à proximité de la surface du globe (par exemple : mouvement de voitures, d'avions, etc.).

  $\circ\quad$ Pour les mouvements de satellites autour de la Terre, on préférera le référentiel géocentrique.

3. Grandeurs relatives

• Certaine grandeurs physiques sont relatives au référentiel, c'est-à-dire qu'elles peuvent avoir des valeurs qui dépendent du référentiel choisi pour faire l'étude.

• C'est notamment le cas pour :

  $\circ\quad$ La position ;

  $\circ\quad$ La trajectoire ;

  $\circ\quad$ La vitesse ;

  $\circ\quad$ L'énergie (qui dépend de la masse et de la vitesse de l'objet en mouvement étudié).

• C'est pourquoi il est obligatoire de préciser le référentiel que l'on choisit avant d'étudier un mouvement.

• D'autre part, une vitesse (et plus généralement un mouvement) n'a de sens que par rapport à un référentiel : dire qu'une voiture roule en ligne droite à $120~\text{km/h}$ n'est pas rigoureux en physique, il faut préciser : par rapport au sol (ou par rapport au référentiel terrestre) ; en effet, par rapport au Soleil, la voiture a un mouvement bien plus compliqué et sa vitesse est de l'ordre de $100~000~\text{km/h}$ !

II. Mouvement d'un objet

1. Trajectoire d'un objet

• On appelle trajectoire d'un objet la courbe formée par l'ensemble des positions successives de cet objet au cours du temps :

  $\circ\quad$ Si la trajectoire est une droite alors il s'agit d'un mouvement rectiligne ;

  $\circ\quad$ Si la trajectoire est un arc de cercle alors il s'agit d'un mouvement circulaire.

• Sa vitesse de l'objet a une valeur constante (par exemple $5~\text{km/h}$), le mouvement est uniforme.

• Sinon sa vitesse est variée :

  $\circ\quad$ Accéléré si la vitesse augmente au cours du temps ;

  $\circ\quad$ Retardé (ou décéléré) si la vitesse diminue au cours du temps.

2. Vitesse d'un objet

• La vitesse est une grandeur qui indique la variation de la position d'un système en fonction du temps. La vitesse est une grandeur relative au référentiel par rapport auquel on étudie le mouvement.

• Exemple : une personne qui est assise sur un banc est immobile par rapport à la Terre (sa vitesse est donc nulle) mais "fonce" à environ $100~000~\text{km/h}$ par rapport au Soleil.

• Remarque : la relation liant une vitesse $v$ à une distance parcourue $d$, pendant une durée $\Delta t$ (également notée $t$) sera vue en détail en classe de 4^e : $v = \dfrac{d}{\Delta t}$. Elle peut cependant être fournie dans un énoncé d'exercice (voire un TP) pour un calcul simple, connaissant les valeurs de la distance parcourue et de la durée de l'étude.

III. Activités pratiques

1. Mesurer une vitesse

• Matériel : chronomètre, mètre ruban, objet en mouvement (exemple : une balle).

• Protocole :

  $\circ\quad$ Mesurer la distance $d$ parcourue par l’objet ;

  $\circ\quad$ Mesurer la durée $\Delta t$ du mouvement ;

  $\circ\quad$ Calculer la vitesse moyenne avec la formule $v = \dfrac{d}{\Delta t}$.

2. Étudier la trajectoire

• Matériel : webcam ou smartphone, logiciel de pointage vidéo (exemple : Aviméca).

• Protocole :

  $\circ\quad$ Filmer le mouvement d’un objet ;

  $\circ\quad$ Relever les positions successives de l’objet ;

  $\circ\quad$ Tracer la trajectoire sur une feuille ou un logiciel.

_{= Merci à krinn pour avoir contribué à l'élaboration de cette fiche =}