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Chapitre 10 — La description du mouvement et la deuxième loi de Newton

Vecteurs vitesse et accélération, repère de Frenet et deuxième loi de Newton.

Progression du chapitre

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Introduction

Ce que tu vas apprendre. Tu vas décrire un mouvement avec les vecteurs position, vitesse et accélération, puis relier l'accélération aux forces grâce à la deuxième loi de Newton.

Pourquoi c'est important. C'est l'outil central de toute la mécanique de Terminale : chute libre, satellites, mouvements dans un champ… tout repose sur cette loi.

Où on l'utilise. Freinage d'une voiture, décollage d'une fusée, lancer d'un ballon, étude d'un ascenseur.

À la fin du chapitre, tu sauras :
  • Définir les vecteurs vitesse et accélération comme dérivées.
  • Utiliser le repère de Frenet pour un mouvement circulaire.
  • Énoncer et appliquer la deuxième loi de Newton.
  • Déduire l'accélération à partir d'un bilan des forces.
Position→Vitesse→Accélération→Forces→Deuxième loi de Newton→Mouvements dans un champ (cours 11)
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Chapitre complet

1. Référentiel et vecteur position

Un mouvement se décrit toujours par rapport à un référentiel (un objet de référence muni d'un repère et d'une horloge). On repère le point M par son vecteur position OM = x·i + y·j + z·k.

Référentiels usuels

Terrestre (mouvements au sol), géocentrique (satellites de la Terre), héliocentrique (planètes).

2. Vitesse et accélération : des dérivées

La vitesse indique comment la position change au cours du temps ; l'accélération indique comment la vitesse change. Mathématiquement, chacune est la dérivée de la précédente.

OM(t) ──dérivée──▶ v(t) = dOMdt ──dérivée──▶ a(t) = dvdt

En coordonnées : vₓ = dx/dt et aₓ = dvₓ/dt (de même selon y et z).

À comprendre

Un mouvement à vitesse de valeur constante peut être accéléré : si la direction de la vitesse change (virage), le vecteur vitesse change, donc a ≠ 0.

3. Mouvements particuliers

Repère de Frenet et mouvement circulaire
OM​v→ (tangent)​a→ₙ = v²/rrMouvement circulaire uniforme : a→ est centripète

Dans un mouvement circulaire uniforme, le vecteur vitesse est tangent à la trajectoire et l'accélération est centripète : aₙ = v²/r, dirigée vers le centre.

  • Rectiligne uniforme : v constant, a = 0.
  • Rectiligne uniformément varié : a constant et colinéaire à la trajectoire.
  • Circulaire uniforme : v constante en valeur, a dirigé vers le centre.

Pour un mouvement circulaire, on utilise le repère de Frenet (ut tangent, un vers le centre) : a = (dv/dt)·ut + (v²/R)·un.

4. La deuxième loi de Newton

Dans un référentiel galiléen, la somme des forces extérieures appliquées à un système de masse constante est égale au produit de sa masse par son accélération.

ΣFext = m · a

Le lien forces ↔ mouvement

Les forces ne donnent pas directement la vitesse : elles donnent l'accélération. Il faut ensuite intégrer pour obtenir vitesse puis position.

Cas particulier : si ΣF = 0, alors a = 0, le mouvement est rectiligne uniforme ou le système est immobile (principe d'inertie).

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Définitions importantes

Référentiel galiléen
Référentiel dans lequel le principe d'inertie est vérifié (le référentiel terrestre l'est approximativement pour des mouvements courts).
Vecteur vitesse
Dérivée du vecteur position par rapport au temps.
Vecteur accélération
Dérivée du vecteur vitesse par rapport au temps.
Système
Objet ou ensemble d'objets dont on étudie le mouvement.
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Formules à connaître

Deuxième loi de Newton

ΣFext = m · a

ΣFextsomme des forces extérieuresN
mmasse du systèmekg
aaccélération du centre de massem·s⁻²

Quand l'utiliser : Relier les forces au mouvement, puis trouver l'accélération.

Conditions : Référentiel galiléen, masse constante.

Transformations utiles :
a = ΣFmm = ΣFa

Vitesse et accélération

v = dOMdt ; a = dvdt

OMvecteur positionm
vvecteur vitessem·s⁻¹
ttempss

Quand l'utiliser : Passer des équations horaires à la vitesse et à l'accélération (ou l'inverse par intégration).

Accélération normale (circulaire)

an = v²R

vvitessem·s⁻¹
Rrayon de la trajectoirem

Quand l'utiliser : Mouvement circulaire, notamment uniforme.

Transformations utiles :
v = √(an · R)
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Méthodes à connaître

Appliquer la deuxième loi de Newton

  1. Définir le système.
  2. Choisir un référentiel supposé galiléen.
  3. Faire le bilan des forces extérieures (schéma !).
  4. Écrire ΣF = m·a.
  5. Projeter sur les axes du repère.
  6. En déduire les coordonnées de a.
  7. Intégrer pour obtenir v(t) puis OM(t) avec les conditions initiales.
  8. Vérifier les unités et conclure.
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Exemple guidé

Une voiture de masse 1 200 kg roule en ligne droite. Le moteur exerce une force motrice horizontale de 3 000 N et les frottements valent 600 N.

Données

  • m = 1 200 kg
  • Fmotrice = 3 000 N
  • f = 600 N
  • Route horizontale

Ce qu'on cherche

L'accélération de la voiture.

Raisonnement

  1. Système : la voiture, référentiel terrestre supposé galiléen.
  2. Forces : poids P, réaction R (verticales, se compensent), force motrice F, frottements f (horizontales opposées).
  3. On projette la deuxième loi de Newton sur l'axe horizontal orienté dans le sens du mouvement.

Formules utilisées

ΣF = m·aProjection : F − f = m·aₓ

Calculs

aₓ = (F − f) / m = (3 000 − 600) / 1 200

aₓ = 2,0 m·s⁻²

Résultat

a = 2,0 m·s⁻², dans le sens du mouvement

Conclusion

La voiture accélère : sa vitesse augmente de 2,0 m·s⁻¹ chaque seconde.

La méthode à retenir

La projection sur un axe bien choisi transforme une égalité vectorielle en une équation simple.
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⚠️ Les erreurs à éviter

✗ Croire que la force est dans le sens de la vitesse.

Pourquoi : La force est liée à l'accélération, pas à la vitesse.

✓ Lors d'un freinage, ΣF est opposée à v.

✗ Oublier une force dans le bilan.

Pourquoi : Le résultat de a sera faux.

✓ Penser systématiquement : poids, actions de contact, frottements, forces à distance.

✗ Oublier les conditions initiales en intégrant.

Pourquoi : Une primitive est définie à une constante près.

✓ Utiliser v(0) et OM(0) pour fixer les constantes.

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À retenir

Notions essentielles

  • • v = dérivée de OM ; a = dérivée de v
  • • Les forces déterminent l'accélération
  • • Repère de Frenet pour le circulaire

Formules

  • • ΣF = m·a
  • • a_n = v²/R

Unités

  • • N, kg, m·s⁻², m·s⁻¹

Méthodes

  • • Système → référentiel → forces → Newton → projection → intégration