Mouvement d'un système

Après quelques rappels de cinématique, cette fiche précise le lien entre le mouvement d'un système et les actions mécaniques qu'il subit.

I. Rappels des notions de cinématique

• La notion de cinématique étudiée en classe de seconde est supposée connue.

• En cas de besoin, on pourra réviser les fiches suivantes :

  $\circ\quad$ Relativité du mouvement ;

  $\circ\quad$ Représentation et variation d'un vecteur vitesse ;

• Remarque importante : dans la présente fiche, les systèmes physiques sont assimilés à des points matériels.

1. Centre d'inertie (ou centre de masse)

• Définition :

  Le centre d'inertie d'un système est le point qui a la trajectoire la plus simple au cours du mouvement. Il est appelé aussi centre de masse.

• Remarque : si on ne s'intéresse qu'au mouvement général d'un système, on peut se limiter à l'étude de la trajectoire de son centre d'inertie.

2. Position d'un mobile

• Sur la figure suivante est représenté le mouvement d'un mobile par une suite de points :

• Pour repérer le mobile dans l'espace, on utilise le repère $(O,\overrightarrow{i},\overrightarrow{j})$.

• Le point $M_1$ est la position de $M$ à l'instant $t_1$ ; elle peut s'exprimer de deux façons différentes (mais équivalentes) dans $(O,\overrightarrow{i},\overrightarrow{j})$ :

  $\circ\quad$ $\textcolor{purple}{\text{1)}}$ par les coordonnées du point que l'on note : $M_1 (5~ ;~ 7)$ ou encore $M_1 \begin{pmatrix}5\\7\end{pmatrix}$ ;

  $\circ\quad$ $\textcolor{purple}{\text{2)}}$ par le vecteur position $\overrightarrow{OM_{1}} = 5 \overrightarrow{i} + 7 \overrightarrow{j}$ qui s'écrit aussi : $\overrightarrow{OM_{1}}(5~ ;~7)$ ou encore $\overrightarrow{OM_{1}} \begin{pmatrix}5\\7\end{pmatrix}$.

3. Vecteur vitesse

• Définition :

  Le vecteur vitesse, noté $\overrightarrow{v}$, est une grandeur orientée permettant de connaître la direction, le sens et la valeur de la vitesse d'un point $M$ à un instant $t$ donné.

  Il est caractérisé par :

  $\circ\quad$ Son point d'application : le point $M$ où se trouve le système à l'instant $t$ ;

  $\circ\quad$ Sa direction : la tangente à la trajectoire en $M$ ;

  $\circ\quad$ Son sens : celui du mouvement ;

  $\circ\quad$ Sa norme : la valeur de la vitesse.

• Dans le système international, l'unité de la vitesse est le $\text{m/s}$.

• Il existe d'autres unités de vitesse comme le $\text{km/h}$ par exemple. Il faut alors procéder à des conversions d'unité.

4. Détermination graphique d'une vitesse

• La vitesse d'un point mobile à un instant $t$ peut être assimilée à sa vitesse moyenne sur un intervalle très court encadrant l'instant $t$.

• Considérons par exemple le mouvement d'une balle, représentée par le point $M$ sur l'enregistrement suivant :

• Pour évaluer le vecteur vitesse $\overrightarrow{v_{1}}$ du mobile en $M_1$ on peut écrire :

  $\boxed{ \overrightarrow{v_{1}} = \dfrac{\overrightarrow{M_{1}M_{2}}}{\delta t}}$

• On en déduit ses caractéristiques :

  $\circ\quad$ Point d'application : $M_1$ ;

  $\circ\quad$ Direction : la droite $M_1M_2$ ;

  $\circ\quad$ Sens : de $M_1$ vers $M_2$ (sens du mouvement) ;

  $\circ\quad$ Norme : $v_{1} = \dfrac{M_{1}M_{2}}{\delta t}$

• Si on mesure $M_{1}M_{2} = 5 \: cm$ sur le schéma alors, en tenant compte des diverses échelles, on trouve :

  $v_{1} = \dfrac{0,05 \times 2 }{0,1} = 1 \: m/s$

  (soit 3 cm sur la figure)

• Remarque : certains énoncés définissent une autre formule approchée pour évaluer la vitesse en un point $M_i$ :

  $\boxed{ \overrightarrow{v_{i}} = \dfrac{\overrightarrow{M_{i-1}M_{i+1}}}{2\delta t}}$

  Il faut alors adapter le raisonnement : ainsi en $M_2$ (donc pour $i = 2$) on obtient la relation :

  $\boxed{ \overrightarrow{v_{2}} = \dfrac{\overrightarrow{M_{1}M_{3}}}{2\delta t}}$

  $\circ\quad$ La direction est alors : la droite $M_1M_3$ ;

  $\circ\quad$ Et la norme est : $v_{2} = \dfrac{M_{1}M_{3}}{2 \delta t}$.

5. Référentiel

$\textcolor{purple}{\text{a. Définition}}$

$\bullet\quad$On appelle référentiel :

$\quad\circ\quad$ Un solide de référence par rapport auquel on décrit le mouvement ;

$\quad\circ\quad$ Ou encore un ensemble de points immobiles les uns par rapport aux autres.

$\bullet\quad$Pour définir un référentiel, il faut se donner au minimum quatre points (non coplanaires), l'un servant d'origine et les trois autres définissant trois axes fixes issus de cette origine.

$\bullet\quad$D'autre part, on suppose qu'un référentiel peut être muni d'horloges, c'est-à-dire de dispositifs servant à mesurer les durées et dater les événements (un chronomètre par exemple).

$\textcolor{purple}{\text{b. Exemples de référentiels}}$

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

$\bullet\quad$Référentiel géocentrique : solide imaginaire formé par le centre de la Terre et le centre de 3 étoiles lointaines considérées comme fixes (les 4 points doivent être non coplanaires) ;

$\bullet\quad$Référentiel héliocentrique : solide imaginaire formé par le centre du Soleil et le centre de 3 étoiles lointaines considérées comme fixes (les 4 points doivent être non coplanaires).

$\textcolor{purple}{\text{c.Utilisation des référentiels}}$

$\bullet\quad$On choisit le référentiel de manière à ce que le mouvement soit le plus simple possible. Au lycée, on utilise généralement :

$\quad\circ\quad$ Le référentiel terrestre lorsque les mouvements ont lieu à proximité de la surface du globe, par exemple le mouvement de voitures, d'avions, etc. ;

$\quad\circ\quad$ Le référentiel géocentrique pour étudier les mouvements de satellites autour de la Terre ;

$\quad\circ\quad$ Le référentiel héliocentrique pour étudier les mouvements à l'intérieur du système solaire (mouvement des planètes ou d'une sonde spatiale).

$\bullet\quad$Remarques :

$\quad\circ\quad$ Parler de mouvement sans préciser le référentiel n'a aucun sens en physique !

$\circ\quad$ Certains énoncés peuvent définir et utiliser un référentiel différent de ceux mentionnés ci-dessus (par exemple le référentiel lié à un train).

II. Cinématique du point

Dans toute la suite, le système étudié est assimilé à un point matériel, appelé le mobile. Ce point est en général le centre de gravité $G$ du système, ou encore son centre de masse (ou d'inertie), supposé confondu avec $G$ dans les situations traitées au lycée.

On suppose d'autre part que le système a un mouvement non relativiste c'est-à-dire que sa vitesse reste très inférieure à $c \approx 300~000~ km/s$ (vitesse de la lumière dans le vide), ce qui est le cas de tous les systèmes étudiés au lycée.

1. Repérage d'un mobile / vecteur position

Après avoir défini le système et choisi le référentiel, il faut repérer le mobile dans l'espace et dans le temps.

$\textcolor{purple}{\text{a. Repérage dans le temps}}$

$\bullet\quad$On suppose que le temps est absolu, c'est-à-dire qu'il ne dépend pas du référentiel. Le temps est représenté par une variable réelle, notée $t$, et on procède comme suit :

$\quad\circ\quad$ On choisit un instant précis comme origine des dates, c'est-à-dire que sa date vaut : $t = 0$. Exemple : l'origine des dates (ou des temps) peut être le moment où une voiture démarre.

$\quad\circ\quad$ On choisit une durée étalon. L'unité S.I. de durée est la seconde.

$\quad\circ\quad$ Un instant (ou un événement) quelconque est repéré par sa date $t$. Exemple : la moto croise la voiture à l'instant $t = 5$ s.

$\quad\circ\quad$ La durée entre deux instants $t_1$ et $t_2$ ($t_2 > t_1$) est par définition : $\Delta t = t_{2} - t_{1}$ : elle s'exprime dans la même unité que $t_1$ et $t_2$.

$\textcolor{purple}{\text{b. Repérage dans l'espace}}$

$\bullet\quad$L'espace physique étant assimilé à un espace euclidien de dimension 3, on procède comme suit :

$\quad\circ\quad$ On associe un repère au référentiel choisi ;

$\quad\circ\quad$ A tout instant $t$, les coordonnées du point $G$ dans ce repère déterminent la position du mobile.

$\bullet\quad$En pratique, on attache souvent un repère cartésien orthonormé $(O,\overrightarrow{i}~,~\overrightarrow{j}~,~\overrightarrow{k})$ au référentiel d'étude. À tout instant $t$, le point $G$ est alors repéré :

$\quad\circ\quad$ Par le vecteur position $\overrightarrow{OG}$, noté $\overrightarrow{OG}~(x(t)~,~y(t)~,~z(t))$ ou encore $\overrightarrow{OG} = x(t) \overrightarrow{i} + y(t) \overrightarrow{j}+ z(t)\overrightarrow{k}$ ;

$\quad\circ\quad$ Ou par les coordonnées du point $G( x(t), y(t), z(t))$, comme indiqué sur la figure suivante :

$\bullet\quad$Remarques :

$\quad\circ\quad$ Le mouvement dépend du référentiel, mais pas du repère utilisé (repère cartésien, repère de Frenet ou autre).

$\quad\circ\quad$ En cinématique, les coordonnées d'un point sont en général des fonctions du temps $t$, par exemple $x(t)$, $y(t)$ et $z(t)$, alors que ce sont des constantes en mathématiques. La variable est le temps $t$ tandis que $x$ est une fonction de $t$. Toutefois on note souvent $x$ au lieu de $x(t)$ pour alléger l'écriture.

$\quad\circ\quad$ La date d'un événement est une valeur algébrique (elle peut être négative). Une date négative indique seulement que l'événement s'est passé AVANT l'instant $t = 0$ (origine des dates).

$\quad\circ\quad$ De même les coordonnées d'un point sont des valeurs algébriques, ainsi que les composantes des vecteurs vitesse et accélération que nous allons aborder.

$\quad\circ\quad$ L'espace étant supposé euclidien, tous les théorèmes et résultats vus en cours de mathématiques s'appliquent : théorème de Pythagore, calcul de la distance entre 2 points, etc.

$\quad\circ\quad$ Les notations peuvent varier d'un énoncé à l'autre : le point $G$ devient alors $M$, le repère devient $(O~,~\overrightarrow u_x~,~\overrightarrow u_y~,~ \overrightarrow u_z)$, etc. Il faudra alors transposer les relations en conséquence.

$\textcolor{purple}{\text{c. Cas des mouvements plan ou rectilignes}}$

$\bullet\quad$Dans le cas d'un mouvement plan, on peut repérer un point avec deux coordonnées (notées souvent $x$ et $y$) et le repère cartésien se réduit par exemple à $(O, \overrightarrow{i}, \overrightarrow{j})$, ce qui simplifie l'étude.

$\bullet\quad$Dans le cas d'un mouvement rectiligne, on peut repérer un point avec une seule coordonnée (notée souvent $x$ ou $z$) et le repère cartésien se réduit à $(O, \overrightarrow{i})$ par exemple (voir figures ci-après).

2. Vecteur vitesse instantanée $\overrightarrow{v}(t)$

$\bullet\quad$Définition :

La vitesse du point mobile $G$ caractérise la variation du vecteur position $\overrightarrow{OG}$ au cours du temps.

$\textcolor{purple}{\text{a. Détermination expérimentale}}$

$\bullet\quad$Le vecteur vitesse en $G_2$, à la date $t_2$, a pour valeur approchée la vitesse moyenne calculée entre $G_1$ et $G_3$ :

$\boxed{\overrightarrow{v}(t_{2}) \approx \dfrac{\overrightarrow{G_{1}G_{3}}}{(t_{3}-t_{1})} = \dfrac{\overrightarrow{OG}_{3} - \overrightarrow{OG_{1}}}{(t_{3}-t_{1})} = \dfrac{\Delta \overrightarrow{OG}}{\Delta t}}$

$\bullet\quad$Cette valeur approchée du vecteur $\overrightarrow{v}(t_{2})$ a :

$\quad\circ\quad$ Pour origine $G_2$ ;

$\quad\circ\quad$ Pour direction et sens $\overrightarrow{G_{1}G_{3}}$ ;

$\quad\circ\quad$ Pour valeur $\dfrac{G_{1}G_{3}}{(t_{3}-t_{1})}$.

$\textcolor{purple}{\text{b. Détermination par le calcul}}$

$\bullet\quad$La vitesse moyenne entre $G_1$ et $G_3$ ne permet pas de préciser le mouvement exact du mobile entre $G_1$ et $G_3$. L'idée est donc de calculer la vitesse moyenne entre deux points $G_1$ et $G_3$ infiniment proches de $G_2$ de manière à obtenir une valeur qui ne dépend plus du choix de $G_1$ et de $G_3$.

$\bullet\quad$Calcul :

$\quad\circ\quad$ Si $t_3 \longrightarrow t_1$, $\Delta t \longrightarrow 0$ alors $G_3 \longrightarrow G_1$ et donc $\Delta \overrightarrow{OG} \longrightarrow \vec{0}$.

$\quad\circ\quad$ $\dfrac{\Delta \overrightarrow{OG}}{\Delta t}$ tend vers une valeur limite qui est la dérivée par rapport au temps $t$ du vecteur position $\overrightarrow{OG}$, et notée $\dfrac{d \overrightarrow{OG}}{dt}$.

$\quad\circ\quad$ On pose alors : $\overrightarrow{v}(t_{2}) = \left( \dfrac{d\overrightarrow{OG}}{dt} \right)_{en\; t_{2}}$.

$\textcolor{purple}{\text{c. Généralisation}}$

$\bullet\quad$Vitesse instantanée :

Le vecteur vitesse instantanée est défini comme la dérivée du vecteur position par rapport au temps :

$\boxed{\overrightarrow{v_G} = \dfrac{d\overrightarrow{OG}}{dt}}$

$\bullet\quad$Le vecteur vitesse $\vec{v_G}$ a :

$\quad\circ\quad$ Pour origine la position de $G$ à la date $t$ ;

$\quad\circ\quad$ Pour direction la tangente en $G$ à la trajectoire ;

$\quad\circ\quad$ Pour sens celui du mouvement ;

$\quad\circ\quad$ Pour composantes, dans un repère cartésien :

$\left\lbrace\begin{matrix} v_{x} = \dot{x} = \dfrac{dx}{dt} \\[6pt] v_{y} = \dot{y} = \dfrac{dy}{dt} \\[6pt] v_{z} = \dot{z} = \dfrac{dz}{dt} \end{matrix} \right.$

$\quad\circ\quad$ Pour valeur :

$v = ||\overrightarrow{v}|| = \sqrt{v^2_{x}+v^2_{y}+v^2_{z}}$

$\bullet\quad$Remarques :

$\quad\circ\quad$ Lorsqu'il n'y a aucune ambiguïté, $\overrightarrow{v_G}$ est simplement noté $\vec{v}$.

$\quad\circ\quad$ $\dot{x}$ (prononcer "x point") et $\dfrac{dx}{dt}$ sont deux notations de la même chose : la dérivée de $x(t)$ par rapport à $t$, notée $x'(t)$ en mathématiques.

$\quad\circ\quad$ Dans le cas d'un mouvement plan, on peut choisir un repère cartésien de telle manière que ces expressions se simplifient (voir figure) : $\vec{v_G} = v_{x} \overrightarrow{i} + v_{y} \overrightarrow{j}$ et $v = \sqrt{v^2_{x}+v^2_{y}}$.

$\quad\circ\quad$ De même pour un mouvement rectiligne : on peut choisir un repère cartésien de telle manière que : $\overrightarrow{v_G} = v_{x} \overrightarrow{i}$ et $v = \sqrt{v^2_{x}} = |v_{x}|$.

$\bullet\quad$ $\textcolor{red}{\text{ATTENTION !}}$

Il ne faut pas confondre le vecteur vitesse $\vec{v}$ (avec une flèche !) et sa valeur $v = ||\overrightarrow{v}||$ (qui est un nombre positif).

3. Vecteur accélération instantanée $\overrightarrow{a}(t)$

$\bullet\quad$Définition :

L'accélération du point mobile $G$ caractérise la variation du vecteur vitesse de $G$ au cours du temps.

$\textcolor{purple}{\text{a. Détermination expérimentale (rappels de 1}^{\text{re}})}$

$\bullet\quad$Le vecteur accélération en $G_2$, à la date $t_2$, a pour valeur approchée l'accélération moyenne calculée entre $G_1$ et $G_3$ :

$\boxed{\vec{a}(t_{2}) \approx \dfrac{\overrightarrow{v}(t_{3}) - \overrightarrow{v}(t_{1})}{(t_{3}-t_{1})} = \dfrac{\Delta \overrightarrow{v}}{\Delta t}}$

$\bullet\quad$Cette valeur approchée du vecteur $\vec{a}(t_{2})$ a :

$\quad\circ\quad$ Pour origine $G_2$ ;

$\quad\circ\quad$ Même direction et sens que le vecteur variation de vitesse : $\Delta \overrightarrow{v} = \overrightarrow{v}(t_3) - \overrightarrow{v}(t_1)$ ;

$\quad\circ\quad$ Et pour valeur $\dfrac{\text{ } ||\Delta \overrightarrow{v} || }{(t_{3}-t_{1})}$.

$\textcolor{purple}{\text{b. Détermination par le calcul}}$

$\bullet\quad$L'accélération moyenne entre $G_1$ et $G_3$ ne permet pas de déterminer le mouvement exact du mobile entre $G_1$ et $G_3$. L'idée est donc de calculer l'accélération moyenne entre deux points $G_1$ et $G_3$ infiniment proches de $G_2$ de manière à obtenir une valeur qui ne dépend plus du choix de $G_1$ et de $G_3$.

$\bullet\quad$Calcul :

$\quad\circ\quad$ Si $t_3 \longrightarrow t_1$, $\Delta t \longrightarrow 0$ alors $\overrightarrow{v}(t_{3}) \longrightarrow \overrightarrow{v}(t_{1})$ et donc $\Delta \overrightarrow{v} \longrightarrow \overrightarrow{0}$.

$\quad\circ\quad$ $\dfrac{\Delta \overrightarrow{v}}{\Delta t}$ tend vers une valeur limite qui est la dérivée par rapport au temps $t$ du vecteur vitesse $\overrightarrow{v}$, notée $\dfrac{d \overrightarrow{v}}{dt}$.

$\quad\circ\quad$ On pose alors : $\overrightarrow{a}(t_{2}) = \left(\dfrac{d\overrightarrow{v}}{dt}\right)_{en\;t_{2}}$.

$\textcolor{purple}{\text{c. Généralisation}}$

$\bullet\quad$Accélération instantanée :

Le vecteur accélération instantanée est défini comme la dérivée du vecteur vitesse par rapport au temps :

$\boxed{\overrightarrow{a_G} = \dfrac{d \overrightarrow{v_G}}{dt}}$

$\bullet\quad$Le vecteur accélération $\overrightarrow{a_G}$ a :

$\quad\circ\quad$ Pour origine la position de $G$ à la date $t$ ;

$\quad\circ\quad$ Pour composantes, dans un repère cartésien :

$\left\lbrace\begin{matrix} a_{x} = \dfrac{d v_x}{dt } = \ddot{x} = \dfrac{d^2x}{dt^2 } \\[6pt] a_{y} = \dfrac{d v_y}{dt } = \ddot{y} = \dfrac{d^2y}{dt^2} \\[6pt] a_{z} = \dfrac{d v_z}{dt } = \ddot{z} = \dfrac{dz^2}{dt^2} \end{matrix} \right.$

$\quad\circ\quad$ Pour valeur :

$a = || \overrightarrow{a_G} || = \sqrt{a^2_{x}+a^2_{y}+a^2_{z}}$

$\bullet\quad$Remarques :

$\quad\circ\quad$ La direction et le sens du vecteur accélération ne sont pas aussi simples à déterminer que dans le cas de la vitesse, sauf dans certains cas simples que nous allons voir.

$\quad\circ\quad$ $a_{x} = \dfrac{d v_x}{dt }$ donc $a_{x}$ est la dérivée de $v_x(t)$ par rapport au temps, et comme $v_x(t) = \dfrac{dx}{dt}$ on peut aussi écrire : $a_{x} = \dfrac{d^2x}{dt^2 }$ c'est-à-dire la dérivée seconde de $x(t)$, notée $x''(t)$ en mathématiques.

$\bullet\quad$$\textcolor{red}{\text{ATTENTION !}}$

$\boxed{\overrightarrow{a} = \dfrac{d \overrightarrow{v}}{dt} }$ (relation entre vecteurs) mais en module, $a \ne \dfrac{dv}{dt}$ (sauf cas particulier).

III. Récapitulatif des grandeurs cinématiques

En synthèse, la figure suivante regroupe l'ensemble des grandeurs cinématiques qui caractérisent le mouvement d'un mobile $G$ à tout instant $t$ (dans le cas d'un mouvement plan) :

IV. Retour sur le principe d'inertie

1. Rappels de seconde

• En cas de besoin, on pourra réviser les fiches suivantes :

  $\circ\quad$ Modélisation d'une action par une force ;

  $\circ\quad$ Principe d'inertie.

2. Nouvelles forces à connaître en première

$\textcolor{purple}{\text{a. Force élastique (ou force de rappel)}}$

• Définition : la force de rappel exercée par un ressort est proportionnelle à son allongement.

  $\boxed{\overrightarrow{F}_{A/B} = -k \cdot x ~ \overrightarrow{i}}$

  avec

  $\circ\quad$ $k$ la raideur du ressort ;

  $\circ\quad$ $x$ son allongement.

• Démonstration : prenons la force exercée par le point $A$ sur le point $B$ :

  

  $\boxed{\overrightarrow{F}_{A/B} = -k \cdot (\overrightarrow{AB} - \overrightarrow{A_iB_i})}$

  On place un signe - devant le $k$ car l'allongement $\overrightarrow{AB} - \overrightarrow{A_iB_i}$ est de sens opposé à $\overrightarrow{F}_{A/B}$.

  $\overrightarrow{F}_{A/B} = -k \cdot (\overrightarrow{AB_i} + \overrightarrow{B_iB} - \overrightarrow{A_iA} + \overrightarrow{AB_i})$

  $\Leftrightarrow \overrightarrow{F}_{A/B} = -k \cdot (\overrightarrow{B_iB} - \overrightarrow{A_iA})$

  Si $A = A_i$, alors $\boxed{\overrightarrow{F}_{A/B} = -k \cdot \overrightarrow{B_iB}}$

  

  Sur le schéma, le vecteur $\overrightarrow{i}$ est un vecteur unitaire. $x$ représente l'allongement du ressort.

  On a donc $\boxed{\overrightarrow{F}_{A/B} = -k x \overrightarrow{i}}$

$\textcolor{purple}{\text{b. Poussée d'Archimède (STL uniquement)}}$

• Définition :

  Un solide immergé dans un fluide subit de la part de celui-ci une force verticale qui correspond au poids du fluide déplacé :

$\boxed{\overrightarrow{\Pi} = -m' ~ \overrightarrow{g}}$

• Remarque : l'expression vectorielle est tout le temps la même car $\overrightarrow{\Pi}$ et $\overrightarrow{g}$ sont tout le temps opposés. En revanche, l'expression algébrique dépend du choix du sens de l'axe.

• Pour la poussée d'Archimède, on utilise la plupart du temps la masse volumique $\mu$ du fluide à la place de la masse :

  $\boxed{\overrightarrow{\Pi} = - \mu \cdot V ~ \overrightarrow{g}}$

  avec

  $\circ\quad$ $\Pi$ s'exprime en $N$ ;

  $\circ\quad$ $\mu$ la masse volumique du fluide en $kg.m^{-3}$ ;

  $\circ\quad$ $V$ le volume de fluide déplacé en $m^3$ et $\overrightarrow{g}$ en $N.kg^{-1}$.

$\textcolor{purple}{\text{c. Force de frottement fluide}}$

• L'expression de la force de frottement dépend :

  $\circ\quad$ De la vitesse du solide ;

  $\circ\quad$ De la nature du fluide ;

  $\circ\quad$ De la forme et de la dimension du solide ;

  $\circ\quad$ De l'état de la surface du solide.

• Pour des vitesses faibles, la force de frottement est proportionnelle à la vitesse :

  $\boxed{\overrightarrow{f} = - k ~ \overrightarrow{v}}$

• Remarque : $\overrightarrow{f}$ et $\overrightarrow{v}$ sont de sens contraires.

• Lorsque les vitesses sont élevées, la force de frottement est proportionnelle au carré de la vitesse :

  $\boxed{\overrightarrow{f} = - k' \cdot v ~ \overrightarrow{v}}$

• Remarque : il existe des cas particuliers comme celui de la sphère lisse. Dans ce cas précis, on utilise la relation de Stokes :

  $\boxed{\overrightarrow{f} = - 6 \Pi \cdot R \cdot \eta ~ \overrightarrow{v}}$

  avec

  $\circ\quad$ $\overrightarrow{f}$ en $N$ ;

  $\circ\quad$ $R$ le rayon en $m$ ;

  $\circ\quad$ $\eta$ le coefficient de viscosité en $N.s.m^{-2}$ ;

  $\circ\quad$ $\overrightarrow{v}$ en $m.s^{-1}$.

3. Résultante des forces appliquées à un solide

• Dans ce paragraphe, les termes trajectoire et vitesse désignent la trajectoire ou la vitesse du centre de masse (ou centre d'inertie) du système.

• Contrairement à ce que nous dicte l'intuition, les forces ne déterminent pas directement la vitesse, mais la variation de vitesse. Une force résultante nulle implique soit l'immobilité, soit un mouvement rectiligne uniforme : dans ce dernier cas, le vecteur vitesse ne varie pas ($\Delta \overrightarrow{v} = \overrightarrow{0}$), mais il n'est pas nul ($\overrightarrow{v} \neq \overrightarrow{0}$).

• On admet qu'en tout point de la trajectoire, le vecteur variation de vitesse est toujours colinéaire à la résultante des forces et de même sens.

• Principe d'inertie (et sa réciproque) : si le vecteur vitesse est constant, sa variation est nulle et donc la résultante des forces aussi ; et réciproquement. On retrouve donc l'équivalence suivante :

  $\boxed{\sum \overrightarrow{F} = \overrightarrow{0} \Leftrightarrow \Delta\overrightarrow{v} = \overrightarrow{0}}$

• Enfin, la masse $m$ intervenant dans la relation caractérise en fait l'inertie du système. Plus $m$ est grand, plus l'effet d'une force donnée (c'est-à-dire la variation de vitesse) sera petit. Il est en effet plus difficile de pousser un camion qu'une voiture !

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