Mécanique 1 (PCSI)/Description et paramétrage du mouvement d'un point : Mouvement de vecteur accélération constant

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Description et paramétrage du mouvement d'un point : Mouvement de vecteur accélération constant
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Chapitre no 3
Leçon : Mécanique 1 (PCSI)
Chap. préc. :Description et paramétrage du mouvement d'un point : Systèmes de coordonnées
Chap. suiv. :Description et paramétrage du mouvement d'un point : Mouvement circulaire uniforme ou non
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Expression du vecteur vitesse en fonction du temps, déduction de ses composantes cartésiennes modifier

Mouvement à vecteur accélération constant modifier

     Se dit du mouvement d'un point   ayant, dans le référentiel d'étude  , un vecteur accélération   constant noté  , soit

« ».

Expression du vecteur vitesse du point M modifier

     Le vecteur vitesse de  , noté  , étant lié au vecteur accélération   par  , on en déduit par intégration «   », le vecteur   se déterminant à l'aide des C.I. [1] à savoir   d'où   et par suite

« »
avec «  le vecteur vitesse initiale du point  ».

Expression du vecteur position en fonction du temps, déduction de ses composantes cartésiennes modifier

Expression du vecteur position du point M modifier

     Le vecteur position de  , noté  , étant lié au vecteur vitesse   par  , on en déduit par intégration «   », le vecteur   se déterminant à l'aide des C.I. [1] à savoir   d'où     et par suite la loi horaire vectorielle de position s'écrit

« »
avec «  les vecteurs vitesse initiale et position initiale du point  ».

Choix du repère cartésien associé au référentiel d'étude modifier

     On choisit [2], l'espace de l'étude étant orienté à droite [3],  l'origine   en la position initiale  ,
              On choisit, l'espace de l'étude étant orienté à droite,  l'axe   colinéaire au vecteur accélération   et de même sens,
              On choisit, l'espace de l'étude étant orienté à droite,  l'axe     à l'axe   tel que le vecteur vitesse initiale   soit dans le plan  [4],
              On choisit, l'espace de l'étude étant orienté à droite,  l'axe     à l'axe   tel que la composante de sa projection sur   étant  [5] et
              On choisit, l'espace de l'étude étant orienté à droite,  l'axe     au plan formé par  [6] et tel que le trièdre   soit direct [7]  c.-à-d. déterminée par la
                             On choisit, l'espace de l'étude étant orienté à droite,  l'axe     au plan formé par   et tel que le trièdre   soit direct  « règle de la main droite » [8] [9],

voir schéma du paragraphe « cas où le vecteur vitesse initiale n'est pas colinéaire au vecteur accélération » ci-dessous dans le cas où  [10].

Déduction des composantes cartésiennes du vecteur position du point M modifier

Cas où le vecteur vitesse initiale n'est pas colinéaire au vecteur accélération modifier

 
Choix du repère cartésien dans le référentiel d'étude pour décrire le mouvement d'un point à vecteur accélération constant ayant un vecteur vitesse initiale non colinéaire au précédent

     Voir le « choix du repère cartésien associé au référentiel d'étude dans le paragraphe précédent » utilisé dans le schéma ci-contre,
     les angles du plan   étant orientés par le sens   précisé sur le schéma et défini par le vecteur unitaire   qui lui est  ,
     l'angle que fait le vecteur vitesse initiale avec le vecteur accélération est noté  [11] ;
     ci-contre les composantes cartésiennes  du vecteur accélération   et
     ci-contre les composantes cartésiennes  du vecteur vitesse initiale   ;

     les projections respectives sur chaque axe de la loi horaire vectorielle de position « » donnent
     les projections respectives sur chaque axe « »
     les projections respectives sur chaque axe correspondant aux trois lois horaires scalaires de position [12], la 2ème établissant la nature plane du mouvement dans le plan  [13].

Cas où le vecteur vitesse initiale est colinéaire au vecteur accélération modifier

     On rappelle que les conditions du problème définissent une direction privilégiée, celle qui est commune à   et  , sur laquelle on a choisi un axe   orienté dans le sens de  ,
     On rappelle que les conditions du problème définissent une direction privilégiée, le vecteur vitesse initiale étant alors dans le même sens ou dans le sens opposé,
     On rappelle que les conditions du problème définissent une direction privilégiée, les deux autres axes   et   respectivement   étant choisis   à   avec l'origine   en   ;

     ci-contre les composantes cartésiennes  du vecteur accélération   et
     ci-contre les composantes cartésiennes  du vecteur vitesse initiale  [14] ;

     les projections respectives sur chaque axe de la loi horaire vectorielle de position « » donnent « »
                                                                                        les projections respectives sur chaque axe de la loi horaire vectorielle de position correspondant aux trois lois horaires scalaires de position [12],
                                                                                        les projections respectives sur chaque axe de la loi horaire vectorielle de position les deux 1ères   la nature rectiligne du mouvement le long de  .

Équations cartésiennes paramétrées de la trajectoire, nature de celle-ci modifier

Cas où le vecteur vitesse initiale n'est pas colinéaire au vecteur accélération modifier

     Les lois horaires scalaires   sont aussi les équations cartésiennes paramétriques de la trajectoire,

  • celle-ci est donc plane dans le plan   d'équation cartésienne   et
  • sa 2ème équation cartésienne [15] s'obtient en exprimant   à l'aide de la 1ère équation paramétrique   et en reportant dans la 3ème ce qui donne, après simplification évidente,
         sa 2ème équation cartésienne « », équation d'un cylindre parabolique de génératrices   à l'axe  [16] ;

     le système des deux équations cartésiennes de la trajectoire   définit une « parabole [17] de concavité vers les  [18] »,  voir le paragraphe « retour sur le cas où le vecteur vitesse initiale n'est pas colinéaire au vecteur accélération » plus loin dans ce chapitre où les figures présentées dépendent du signe de  .

Cas où le vecteur vitesse initiale est colinéaire au vecteur accélération modifier

     Les lois horaires scalaires   sont aussi les équations cartésiennes paramétriques de la trajectoire dont on tire, sans faire quoi que soit, les deux équations cartésiennes de cette dernière  , système d'équations cartésiennes définissant une « trajectoire rectiligne le long de  ».

Retour sur le cas où le vecteur vitesse initiale n'est pas colinéaire au vecteur accélération modifier

     La trajectoire étant parabolique d'équation cartésienne dans le plan   de la trajectoire  , nous allons déterminer quelques propriétés de cette parabole :

  • elle possède un axe de symétrie   à l'axe   sur lequel se trouve son sommet   d'abscisse   déterminée par la nullité du cœfficient directeur de la tangente à la parabole en ce point soit
    elle possède un axe de symétrie   à l'axe   sur lequel se trouve son sommet   d'abscisse   déterminée par   avec   et par suite
    elle possède un axe de symétrie   à l'axe   sur lequel se trouve son sommet   d'abscisse   d'où
    elle possède l'axe de symétrie d'équation « » [19] ;
  • son sommet   a pour abscisse « » et sa cote   s'obtient par report de son abscisse dans l'équation cartésienne de la parabole soit
    son sommet   a pour abscisse « » et sa cote « »
    son sommet   d'où les coordonnées du sommet de la parabole : « » [19].

     Ci-dessous la trajectoire dans le cas où   et  , l'angle entre vecteur vitesse initiale et vecteur accélération étant  « » pour le graphe de gauche [20],
     Ci-dessous la trajectoire dans le cas où   et  , l'angle entre vecteur vitesse initiale et vecteur accélération étant  « » pour le graphe de droite [21].

En complément, équations cartésiennes paramétrées de l'hodographe de pôle O du mouvement, nature de celui-ci modifier

Équations cartésiennes paramétrées de l’hodographe de pôle O du mouvement du point M modifier

     L'hodographe de pôle  [22] du mouvement du point   étant l'ensemble des positions   tel que  [23], [24] et
     notant   les coordonnées cartésiennes du point générique   de l'hodographe  
     nous obtenons, en projetant   sur chaque axe « » [23], [25].

Équations cartésiennes de l’hodographe de pôle O du mouvement du point M modifier

     Les équations cartésiennes paramétriques  [23] de l'hodographe   de pôle   du mouvement de   permettent d'obtenir, sans aucun calcul, les deux équations cartésiennes de l'hodographe de pôle   du mouvement de   « » [23].

Nature de l’hodographe de pôle O du mouvement du point M modifier

     L'hodographe   de pôle   du mouvement de   étant d'équations cartésiennes « » [23]
     L'hodographe   de pôle   du mouvement de   est porté par la droite à  et passant par le point de   de coordonnées représentées par   ;

     tracés de   représentés dans le plan  , avec   et  ,
     tracés de   représentés dans le plan  , l'angle entre vecteur vitesse initiale et vecteur accélération étant  « » pour l'hodographe de gauche correspondant à une demi-droite
                           tracés de   représentés dans le plan  , l'angle entre vecteur vitesse initiale et vecteur accélération étant  issue de   du quadrant supérieur droite du plan   et
                           tracés de   représentés dans le plan  , l'angle entre vecteur vitesse initiale et vecteur accélération étant  allant vers   d'ordonnée  [26],
     tracés de   représentés dans le plan  , l'angle entre vecteur vitesse initiale et vecteur accélération étant  « » pour l'hodographe de droite correspondant à une demi-droite
                              tracés de   représentés dans le plan  , l'angle entre vecteur vitesse initiale et vecteur accélération étant  issue de   du quadrant inférieur droite du plan   et
                              tracés de   représentés dans le plan  , l'angle entre vecteur vitesse initiale et vecteur accélération étant  allant vers   d'ordonnée  [26] ;
                              tracés de   représentés dans le plan  , l'angle entre vecteur vitesse initiale et vecteur accélération étant  le point   correspondant au sommet   de la trajectoire
                              tracés de   représentés dans le plan  , l'angle entre vecteur vitesse initiale et vecteur accélération étant  est ici observable, c'est le point de   placé sur l'axe  .

     Remarques : De  [23] on en déduit que  le cœfficient directeur de la direction   défini par   permet de visualiser la pente du vecteur vitesse  
          Remarques : De   on en déduit que  sur la trajectoire du point  , ceci permettant de constater sur l'hodographe de gauche l'absence de sommet accessible sur la trajectoire
          Remarques : De   on en déduit que  et sur l'hodographe de droite l'accessibilité du sommet de la trajectoire correspondant à la position   de l'hodographe,
          Remarques : De   on en déduit que  la norme de   représente celle de   soit  [23] montrant
          Remarques : De   on en déduit que  sur l'hodographe de gauche que   jusqu'à l'infini [26] et
          Remarques : De   on en déduit que  sur l'hodographe de droite que   jusqu'à  [23]  vitesse minimale obtenue au sommet  de la trajectoire  puis
          Remarques : De   on en déduit que  sur l'hodographe de droite que     jusqu'à l'infini [26].

Notes et références modifier

  1. 1,0 et 1,1 Condition(s) Initiale(s).
  2. Les choix faits sont simplificateurs, ils ne sont pas obligatoires et peuvent être autres.
  3. Orientation de l'espace définie par le mouvement de rotation et translation associées d'un tire-bouchon de Maxwell  voir l'« introduction du paragraphe produit vectoriel de deux vecteur » du chap.  de la leçon « Outils mathématiques pour la physique (PCSI) »  ;
       James Clerk Maxwell (1831 - 1879) physicien et mathématicien écossais, principalement connu pour ses équations unifiant l'électricité, le magnétisme et l'induction ainsi que pour l'établissement du caractère électromagnétique des ondes lumineuses, mais aussi pour sa distribution des vitesses utilisée dans une description statistique de la théorie cinétique des gaz ; le tire-bouchon fictif portant son nom a été baptisé ainsi en son honneur.
  4. Cela suppose que le vecteur-vitesse initiale   n’est pas colinéaire à  , si ce n'est pas le cas  c.-à-d. si   est colinéaire à   l'axe   est simplement   à   sans autre exigence  il y a donc, dans ce cas, un caractère arbitraire à ce choix .
  5. Elle est nulle dans le cas où   est colinéaire à  , ce qui conduit, rappelons-le, à un choix arbitraire de     à  .
  6. Cela suppose que les vecteurs accélération et vitesse initiale   forment un plan, si ce n'est pas le cas  c.-à-d. si   est colinéaire à   l'axe   est simplement   à   et   avec la même exigence énoncée par la suite du caractère direct du trièdre  .
  7. revoir le paragraphe « base directe directe d'un espace orienté à droite » du chap.  de la leçon « Outils mathématiques pour la physique (PCSI) ».
  8. Levant le pouce de la main droite dans le sens du 1er vecteur, l'index pointant dans le sens du 2ème vecteur, « le sens du 3ème vecteur est donné par le majeur courbé vers la paume de la main droite »  ceux qui se souviennent de leur enfance pourraient encore appeler cette règle « la règle de l'apprenti cow-boy droitier »  ; il existe d'autres règles équivalentes :
       « règle de l'auto-stoppeur (droitier) » : l'avant bras  droit  étant dans le sens du 1er vecteur, la poigne de la main  droite  courbée dans le sens du 2ème vecteur, le pouce est alors levé dans le sens du 3ème vecteur,
       « règle du tire-bouchon de Maxwell » : le tire-bouchon tournant du 1er vecteur vers du 2ème, il s'enfonce dans le bouchon fixe dans le sens de du 3ème vecteur,
       « règle du bonhomme d'Ampère » : le bonhomme d'Ampère se couchant sur la direction du 1er vecteur, ce vecteur lui entrant par les pieds et lui sortant par la tête, regardant droit devant dans le sens du 2ème vecteur, il tend le bras gauche perpendiculairement à son corps dans le sens du 3ème vecteur,
       et bien d'autres règles que vous pouvez vous-même inventer.
       James Clerk Maxwell (1831 - 1879) physicien et mathématicien écossais, principalement connu pour ses équations unifiant l'électricité, le magnétisme et l'induction ainsi que pour l'établissement du caractère électromagnétique des ondes lumineuses, mais aussi pour sa distribution des vitesses utilisée dans une description statistique de la théorie cinétique des gaz ; le tire-bouchon fictif permettant de déterminer le caractère direct d'un triplet de vecteurs a été baptisé « tire-bouchon de Maxwell » en son honneur.
       André-Marie Ampère (1775 - 1836), mathématicien, physicien, chimiste et philosophe français, peut être considéré comme l'un des premiers artisans de la mathématisation de la physique, il a édifié les fondements théoriques de l'électromagnétisme et a découvert les bases de l'électronique de la matière ; c'est lui qui inventa le bonhomme fictif portant son nom et permettant de déterminer le caractère direct d'un triplet de vecteurs.
  9. Voir note « 5 précédente » dans le cas où les vecteurs accélération et vitesse initiale   sont colinéaires  .
  10. On rappelle que cette condition traduit la non colinéarité des deux vecteurs revoir le paragraphe « définition intrinsèque du produit vectoriel de deux vecteurs » du chap.  de la leçon « Outils mathématiques pour la physique (PCSI) ».
  11.   bornes exclues, les deux vecteurs n'étant pas colinéaires.
  12. 12,0 et 12,1 Ou aux trois équations cartésiennes paramétriques de la trajectoire du point  .
  13. Qu'on appellera par la suite « plan de lancement » car il est commun au vecteur accélération et au vecteur vitesse initiale.
  14. Avec   si   est de même sens que   et   si   est de sens opposé à  .
  15. On rappelle qu'une courbe est déterminée par deux équations cartésiennes, chacune d'elles définissant une surface,
       On rappelle qu'une courbe est déterminée par la 1ère équation cartésienne étant   définissant le plan  , nous cherchons à déterminer
       On rappelle qu'une courbe est déterminée par la 2ème équation cartésienne et à préciser la nature de la surface qu'elle décrit.
  16. En effet toute équation cartésienne implicite  ou non  d'un espace à trois dimensions dans laquelle   n'apparaît pas est un cylindre de génératrices   à l'axe  .
  17. Voir le paragraphe « équation cartésienne (d'une parabole de sommet O et d'axe Oy) » du chap.  de la leçon « Outils mathématiques pour la physique (PCSI) » en substituant   à   et en faisant les transformations simplement évoquées sur l'équation annotée  ,   et   restant à déterminer.
  18. C.-à-d. dans le sens de   compte-tenu du choix de   dans le même sens que  .
  19. 19,0 et 19,1 On rappelle la formule de trigonométrie suivante  .
  20. Le sommet   correspondant à une position antérieure à la position initiale n'apparaît pas si on représente la trajectoire à partir de cette dernière.
  21. Le sommet   correspondant à une position postérieure à la position initiale apparaît dans la mesure où on représente la trajectoire à partir de cette dernière.
  22.   est un point fixe du référentiel d'étude, non nécessairement l'origine du repère associé au référentiel  
  23. 23,0 23,1 23,2 23,3 23,4 23,5 23,6 et 23,7 Le symbole   signifiant « est représenté par » ou « représentant » suivant contexte, avec définition d'une échelle adaptée.
  24. Revoir la « définition de l'hodographe de pôle O du mouvement de M dans un référentiel d'étude » du chap.  de la leçon « Mécanique 1 (PCSI) ».
  25. Ces lois horaires sont valables pour  .
  26. 26,0 26,1 26,2 et 26,3 Le mouvement de   sur l'hodographe de pôle   de celui de  , étant régi par la loi horaire  , correspond à une montée d'un mouvement uniforme sur la demi-droite.