L'intuition
La mécanique est la branche de la physique qui étudie le mouvement des corps et les causes qui le produisent ou le modifient. Au cœur de cette étude se trouve la relation fondamentale entre les forces agissant sur un objet et la manière dont son mouvement est affecté.
Considérons le mouvement d'un véhicule. L'action sur l'accélérateur, le frein ou le volant induit une force qui modifie sa vitesse ou sa direction. Ces interactions sont régies par les principes de la mécanique. Comprendre ces principes permet d'analyser des phénomènes variés, de la chute d'un corps à la trajectoire d'un projectile, en passant par le mouvement des planètes.
La deuxième loi de Newton est l'outil central de ce chapitre. Elle établit un lien quantitatif entre les forces appliquées à un système et l'accélération de ce système. La maîtrise de cette loi est indispensable pour résoudre les problèmes de mécanique au Baccalauréat.
Le cours
I. Rappels sur les grandeurs cinématiques
Pour l'étude du mouvement d'un solide, nous nous intéressons généralement au mouvement de son centre d'inertie . Un solide est considéré comme un point matériel si ses dimensions sont négligeables devant l'étendue de sa trajectoire.
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Vecteur position Dans un repère cartésien , le vecteur position du centre d'inertie à l'instant est défini par :
où , et sont les coordonnées de .
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Vecteur vitesse instantanée Le vecteur vitesse instantanée de , noté , est la dérivée du vecteur position par rapport au temps :
La norme de ce vecteur est la vitesse scalaire : . L'unité de la vitesse est le mètre par seconde ().
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Vecteur accélération instantanée Le vecteur accélération instantanée de , noté , est la dérivée du vecteur vitesse par rapport au temps :
L'unité de l'accélération est le mètre par seconde carrée ().
II. Les lois de Newton
Les lois de Newton constituent le fondement de la dynamique classique. Leur application est valide dans un repère galiléen. Un repère est dit galiléen si le principe d'inertie y est vérifié. Pour les expériences de courte durée à la surface de la Terre, un repère terrestre est considéré comme galiléen.
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Première loi de Newton (Principe d'inertie) Dans un repère galiléen, si la somme vectorielle des forces extérieures appliquées à un solide est nulle, alors son centre d'inertie conserve son vecteur vitesse. Autrement dit, il est soit au repos, soit en mouvement rectiligne uniforme.
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Deuxième loi de Newton (Principe fondamental de la dynamique) Dans un repère galiléen, la somme vectorielle des forces extérieures appliquées à un solide de masse est égale au produit de sa masse par le vecteur accélération de son centre d'inertie.
Cette loi est fondamentale pour l'étude du mouvement. La masse doit être exprimée en kilogrammes (), les forces en Newtons () et l'accélération en .
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Troisième loi de Newton (Principe des actions réciproques) Si un corps A exerce une force sur un corps B, alors le corps B exerce simultanément une force sur le corps A. Ces deux forces ont la même intensité, la même direction, mais des sens opposés :
Il est crucial de noter que ces forces s'appliquent sur des corps différents.
III. Application de la deuxième loi de Newton
L'application de la deuxième loi de Newton suit une démarche rigoureuse.
- Définir le système étudié : Identifier le solide ou l'ensemble de solides dont le mouvement est analysé.
- Faire le bilan des forces extérieures : Lister et représenter toutes les forces agissant sur le système. Un schéma clair est indispensable.
- Poids () : Force d'attraction gravitationnelle exercée par la Terre. Son point d'application est le centre d'inertie , sa direction est verticale, et son sens est vers le bas. Son intensité est , où est le vecteur accélération de la pesanteur.
- Réaction normale du support () : Force exercée par une surface de contact sur le solide. Elle est perpendiculaire à la surface et orientée vers l'extérieur du support.
- Forces de frottement () : Forces s'opposant au mouvement ou à sa tendance. Elles sont tangentes à la surface de contact et de sens opposé au mouvement. Leur intensité peut être constante ou dépendre de la vitesse (frottements fluides).
- Tension d'un fil () : Force exercée par un fil ou une corde tendue. Elle est dirigée le long du fil, loin du point d'attache.
- Force motrice () : Toute autre force appliquée au système pour le mettre en mouvement ou le maintenir.
- Choisir un repère d'étude galiléen : Un repère cartésien est généralement utilisé. Le choix de l'orientation des axes est stratégique pour simplifier les projections (par exemple, un axe parallèle à la trajectoire).
- Appliquer la deuxième loi de Newton : Écrire l'équation vectorielle : .
- Projeter l'équation vectorielle : Décomposer l'équation vectorielle sur les axes du repère choisi. Cela conduit à un système d'équations scalaires :
- Résoudre les équations différentielles : À partir des expressions des accélérations (), intégrer pour obtenir les équations horaires de la vitesse (), puis celles de la position (). Les conditions initiales (position et vitesse à ) sont essentielles pour déterminer les constantes d'intégration.
IV. Types de mouvements et équations horaires
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Mouvement rectiligne uniformément varié (MRUV) Un mouvement est rectiligne uniformément varié si le vecteur accélération est constant et non nul, et colinéaire à la direction du mouvement. Si l'axe est choisi le long de la trajectoire, alors .
- Accélération :
- Vitesse : , où est la vitesse initiale à .
- Position : , où est la position initiale à .
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Mouvement de chute libre Un corps est en chute libre s'il n'est soumis qu'à son poids. Les frottements de l'air sont négligés.
- Système : Solide de masse .
- Forces : Poids .
- Repère : vertical, orienté vers le haut ou vers le bas.
- 2ème loi de Newton : . Si l'axe est vertical et orienté vers le haut, alors .
- Accélération :
- Vitesse :
- Position :
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Mouvement d'un projectile Un projectile est lancé avec une vitesse initiale et n'est soumis qu'à son poids (frottements de l'air négligés).
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Système : Projectile de masse .
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Forces : Poids .
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Repère : avec le point de lancement, horizontal et vertical orienté vers le haut.
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2ème loi de Newton : . Projection sur les axes :
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Conditions initiales : (si est le point de lancement), , où est l'angle de tir.
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Accélération : ,
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Vitesse : ,
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Position : ,
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Équation de la trajectoire : En éliminant des équations de position, on obtient :
C'est l'équation d'une parabole.
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Mouvement circulaire uniforme Un mouvement est circulaire uniforme si la trajectoire est un cercle et la vitesse scalaire est constante. Dans ce cas, le vecteur accélération est centripète (dirigé vers le centre du cercle) et sa norme est constante :
où est la vitesse scalaire et est le rayon de la trajectoire. La 2ème loi de Newton implique que la somme des forces extérieures a une composante radiale non nulle, dirigée vers le centre du cercle.
V. Théorème de l'énergie cinétique (TEC)
Le théorème de l'énergie cinétique est une approche énergétique pour l'étude du mouvement. Il est particulièrement utile lorsque les forces sont variables ou lorsque l'on s'intéresse aux variations de vitesse sur un déplacement donné.
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Énergie cinétique () L'énergie cinétique d'un solide de masse et de vitesse est donnée par :
L'unité de l'énergie cinétique est le Joule ().
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Travail d'une force () Le travail d'une force constante lors d'un déplacement rectiligne est :
où est l'angle entre et .
- Si : travail moteur ().
- Si : travail nul ().
- Si : travail résistant (). Pour une force variable ou un déplacement non rectiligne, le travail est calculé par une intégrale.
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Énoncé du Théorème de l'Énergie Cinétique La variation de l'énergie cinétique d'un solide entre deux instants et (ou entre deux positions A et B) est égale à la somme des travaux de toutes les forces extérieures appliquées au solide pendant ce déplacement.
Ce théorème est valable dans tout repère galiléen.
Exemple résolu
Extrait d'annale : Étude du mouvement d'un solide sur un plan horizontal
Un solide de masse kg et de centre d'inertie glisse sans frottement sur un plan horizontal (). Le solide est en mouvement sur la partie du plan sous l'action d'une force motrice horizontale constante. Données : kg ; m. On étudie le mouvement de dans un repère lié à un laboratoire considéré galiléen. L'axe est horizontal et orienté dans le sens du mouvement. À l'instant , le solide part de sans vitesse initiale.
- Faire le bilan des forces exercées sur le solide .
- Appliquer la deuxième loi de Newton pour déterminer l'expression de l'accélération du centre d'inertie .
- Établir les équations horaires de la vitesse et de la position du centre d'inertie .
- Sachant que l'intensité de la force est N, calculer la vitesse du solide en arrivant au point .
Solution :
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Bilan des forces exercées sur le solide : Le solide est soumis à trois forces :
- Son poids : force verticale, dirigée vers le bas, d'intensité .
- La réaction normale du support : force verticale, dirigée vers le haut, exercée par le plan horizontal sur le solide.
- La force motrice : force horizontale, dirigée dans le sens du mouvement. (Absence de frottements selon l'énoncé).

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Application de la deuxième loi de Newton :
- Système étudié : Solide .
- Repère d'étude : lié au laboratoire, considéré galiléen.
- Bilan des forces : , , .
- Deuxième loi de Newton :
- Projection sur l'axe : L'axe est horizontal et orienté dans le sens du mouvement. Les forces et sont perpendiculaires à l'axe , donc leurs projections sont nulles. La force est colinéaire à l'axe et dans le même sens, donc sa projection est . D'où l'expression de l'accélération :
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Établissement des équations horaires de la vitesse et de la position : L'accélération est constante, le mouvement est donc rectiligne uniformément varié.
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Accélération :
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Vitesse : Par intégration de l'accélération : . À , le solide part sans vitesse initiale, donc . . Donc, l'équation horaire de la vitesse est :
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Position : Par intégration de la vitesse : . À , le solide part de , donc . . Donc, l'équation horaire de la position est :
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Calcul de la vitesse du solide en arrivant au point : Données : N, kg, m. L'accélération est . Au point , la position est m. Nous avons . Pour trouver le temps mis pour atteindre : . . La vitesse au point est . .
Méthode alternative (Théorème de l'énergie cinétique) : Le solide part sans vitesse initiale, donc . Les forces et sont perpendiculaires au déplacement , donc leurs travaux sont nuls. . Donc, . . . Les deux méthodes donnent le même résultat.
La méthode
Pour résoudre un problème de mécanique impliquant la 2ème loi de Newton, suis ces étapes numérotées :
- Définir le système étudié : Précise clairement le corps ou l'ensemble de corps dont tu étudies le mouvement.
- Choisir un repère d'étude : Sélectionne un repère galiléen (souvent lié au laboratoire ou à la Terre) et un système de coordonnées (cartésien, polaire, etc.) adapté à la géométrie du problème. Oriente les axes judicieusement pour simplifier les projections.
- Faire le bilan des forces extérieures :
- Liste toutes les forces agissant sur le système.
- Représente-les sur un schéma clair du système, en indiquant leur point d'application, leur direction et leur sens.
- N'oublie pas le poids, la réaction normale du support, les frottements, les tensions, etc.
- Appliquer la deuxième loi de Newton : Écris l'équation vectorielle .
- Projeter l'équation vectorielle : Projette l'équation vectorielle sur les axes du repère choisi pour obtenir un système d'équations scalaires. Sois attentif aux signes des projections.
- Déterminer l'accélération : À partir des équations projetées, déduis les composantes de l'accélération ().
- Intégrer pour obtenir les équations horaires de la vitesse : Intègre les composantes de l'accélération par rapport au temps. Utilise les conditions initiales de vitesse () pour déterminer les constantes d'intégration.
- Intégrer pour obtenir les équations horaires de la position : Intègre les composantes de la vitesse par rapport au temps. Utilise les conditions initiales de position () pour déterminer les constantes d'intégration.
- Exploiter les équations horaires ou le Théorème de l'Énergie Cinétique :
- Pour trouver des grandeurs cinématiques (vitesse, position à un instant donné, durée, portée, hauteur maximale).
- Pour établir l'équation de la trajectoire (en éliminant le temps).
- Si le problème implique des variations d'énergie ou de vitesse sur un déplacement, le Théorème de l'Énergie Cinétique () peut être plus direct.
Pièges classiques
- Oubli ou mauvaise représentation d'une force : Par exemple, oublier la réaction normale sur un plan incliné, ou mal orienter la force de frottement. Contre-exemple : Sur un plan incliné, la réaction normale est perpendiculaire au plan, pas verticale.
- Erreur dans le choix du repère ou de son orientation : Un repère mal choisi complique les projections. Contre-exemple : Pour un plan incliné, un axe parallèle au plan et un axe perpendiculaire au plan simplifient les projections du poids et de la réaction normale.
- Erreur de signe lors des projections : Une projection dans le sens opposé à l'axe doit avoir un signe négatif. Contre-exemple : Si l'axe est vers le haut, la projection du poids est .
- Oubli des conditions initiales : Les constantes d'intégration ne peuvent être déterminées sans les conditions initiales de vitesse et de position. Contre-exemple : Si un objet part sans vitesse initiale, . Si un objet part de l'origine, .
- Confusion entre masse et poids : La masse est une grandeur scalaire intrinsèque au corps (en kg), le poids est une force (en N). Contre-exemple : , est la masse, est le poids.
- Utilisation d'un repère non galiléen sans correction : Les lois de Newton ne s'appliquent directement que dans un repère galiléen. Contre-exemple : Le repère terrestre est galiléen pour des durées courtes, mais pas pour des mouvements de longue durée (ex: pendule de Foucault).
- Erreur dans le calcul des travaux des forces : Oublier l'angle entre la force et le déplacement, ou ne pas considérer les forces dont le travail est nul (forces perpendiculaires au déplacement). Contre-exemple : Le travail de la réaction normale sur un plan est toujours nul car est perpendiculaire au déplacement.
- Manque d'unités ou de chiffres significatifs : Ces erreurs coûtent des points à l'examen. Contre-exemple : Un résultat numérique doit toujours être accompagné de son unité et présenté avec un nombre de chiffres significatifs cohérent avec les données.
Ce qui tombe à l'examen
Le chapitre de mécanique est un pilier de l'examen de Physique-Chimie, représentant environ 27% de la note totale. Les questions évaluent ta capacité à mobiliser les savoirs et savoir-faire (45%), à appliquer une démarche expérimentale (15%) et à résoudre des problèmes (40%).
Les exercices de mécanique se présentent souvent sous forme de problèmes thématiques (environ 2,5 à 5,5 points sur 20) et peuvent inclure :
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Mouvement sur plan horizontal ou incliné : Avec ou sans frottements, sous l'action d'une force constante.
- Questions typiques :
- Bilan des forces.
- Application de la 2ème loi de Newton pour établir l'équation différentielle du mouvement.
- Détermination de l'accélération.
- Établissement des équations horaires de vitesse et de position.
- Calcul de vitesses ou de distances à des instants précis.
- Utilisation du théorème de l'énergie cinétique pour calculer une vitesse ou un travail.
- Exemple d'annale : "Étude du mouvement d'un solide sur un plan horizontal" (voir l'exemple résolu ci-dessus). "Étude du mouvement d'un skieur avec frottements" (annale réelle).

- Questions typiques :
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Chute libre et chute avec frottements : Mouvement vertical d'un corps.
- Questions typiques :
- Établissement de l'équation différentielle de la vitesse.
- Détermination de la vitesse limite (en cas de frottements).
- Exploitation de courbes pour déterminer la vitesse limite ou le temps caractéristique.
- Application de la méthode d'Euler pour la résolution numérique.
- Exemple d'annale : "Appliquer la deuxième loi de Newton pour établir l'équation différentielle du mouvement du centre d'inertie d'un solide en chute verticale avec frottement." (Corrigé officiel 2024).
- Questions typiques :
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Mouvement de projectiles : Lancement d'un objet dans le champ de pesanteur uniforme.
- Questions typiques :
- Établissement des équations horaires du mouvement.
- Déduction de l'équation de la trajectoire.
- Calcul de la portée, de la hauteur maximale, de l'instant d'impact.
- Exemple d'annale : "Appliquer la deuxième loi de Newton dans le cas d'un projectile pour : *établir les équations différentielles du mouvement. *en déduire les équations horaires du mouvement et les exploiter. *trouver l'équation de la trajectoire." (Corrigé officiel 2024).
- Questions typiques :
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Mouvement circulaire : Étude de la dynamique des corps en rotation ou en mouvement circulaire.
- Questions typiques :
- Calcul de l'accélération normale (centripète).
- Application de la 2ème loi de Newton pour déterminer les forces nécessaires au maintien du mouvement circulaire.
- Questions typiques :
Attendus de correction :
- Rigueur : Chaque étape de la démarche doit être justifiée.
- Schémas : Des schémas clairs et annotés des forces sont souvent exigés.
- Unités : Toutes les grandeurs physiques doivent être accompagnées de leur unité dans le système international.
- Chiffres significatifs : Les résultats numériques doivent être donnés avec un nombre de chiffres significatifs cohérent avec les données de l'énoncé.
- Exploitation de courbes : Tu devras savoir lire et interpréter des graphiques (, , ) pour en extraire des informations (vitesse limite, temps caractéristique, etc.).

La pratique régulière d'exercices variés est la clé de la réussite pour ce chapitre.




