Article sur les grandeurs physiques du mouvement linéaire
1. Intervalle de temps
Lorsqu'un objet se déplace d'un endroit à un autre, il lui faut un certain laps de temps. Le symbole du temps est t (temps). L'unité de temps du Système international d'unités (SI) est la seconde (s).
2. Distance et déplacement
La distance est la longueur du trajet parcouru par un objet. C'est une grandeur scalaire, c'est-à-dire qu'elle ne dépend pas de la direction. Son symbole est d et son unité est le mètre (m).
Le déplacement est une modification de la position d'un objet. C'est une grandeur vectorielle, donc le déplacement comprend une magnitude et une direction. Selon sa direction, le déplacement peut être positif ou négatif. En coordonnées cartésiennes, par convention, si la direction du déplacement est positive selon les axes x et y positifs, alors le déplacement est positif. Inversement, si la direction est négative selon les axes x et y négatifs, alors le déplacement est négatif. La direction du déplacement est généralement exprimée par les points cardinaux (nord, est, sud, ouest). Le symbole du déplacement est d et son unité est le mètre (m).
Exemple de problème 1 :
Un élève se déplace vers l'est sur une distance de 2 mètres. Quelle est la distance parcourue et l'amplitude de son déplacement ?
a = position initiale, b = position finale.
Distance (d) = 2 m
L'amplitude du déplacement (d) est de 2 m. La direction du déplacement est vers l'est.
Exemple de problème 2 :
Un élève se déplace de 2 mètres vers l'est, puis de 2 mètres vers l'ouest. Quelle est la distance et l'amplitude de son déplacement ?
a = position de départ et position finale
Distance (d) = 2 m + 2 m = 4 m
L'amplitude du déplacement (d) = 2 m – 2 m = 0. Position finale = position initiale de sorte qu'il n'y a pas de déplacement.
Exemple de problème 3 :
Un élève se déplace de 2 mètres vers l'est, puis de 1 mètre vers l'ouest. Quelle est la distance et l'amplitude de son déplacement ?
a = position de départ, b = position d'arrivée.
Distance (d) = 2 m + 1 m = 3 m
L'amplitude du déplacement (d) = 2 m – 1 m = 1 m. Direction du déplacement = est
3. Vitesse et vélocité
La vitesse est une grandeur scalaire, tandis que la vélocité est une grandeur vectorielle. La vélocité se compose d'une magnitude et d'une direction. Son symbole est v et celui de la vélocité est v<sub>s</sub>. L'unité du Système international d'unités (SI) pour la vitesse et la vélocité est le mètre par seconde (m/s).
a. Vitesse moyenne et vitesse moyenne
Exemple de problème 1 :
Un élève se déplace vers l'est sur une distance de 2 mètres pendant 1 seconde. Quelle est sa vitesse moyenne et la norme de sa vitesse vectorielle moyenne ?
La direction de la vitesse moyenne = direction du déplacement = vers l'est
Exemple de problème 2 :
Un élève se déplace vers l'est sur une distance de 2 mètres pendant 1 seconde, puis vers l'ouest sur une distance de 1 mètre pendant 2 secondes. Quelle est sa vitesse moyenne et la norme de sa vitesse vectorielle moyenne ?
Direction de la vitesse moyenne = direction du déplacement = vers l'est
b. Vitesse instantanée et vitesse instantanée
La vitesse instantanée correspond à la très petite distance parcourue pendant un intervalle de temps très court. La norme de la vitesse instantanée représente le très petit déplacement effectué pendant un intervalle de temps très court. Si vous avez déjà conduit une moto ou une voiture, vous avez certainement vu un compteur de vitesse. À moto, la vitesse varie et est affichée par le compteur.
En physique, la vitesse instantanée est souvent abrégée en « vitesse ». De même, la vélocité instantanée est souvent abrégée en « vélocité ». Il est important de noter que l'on peut remplacer la norme de la vélocité par celle de la vitesse. En effet, la norme de la vélocité est considérée comme égale à celle de la vitesse. Cette égalité repose sur le fait que la distance et la norme du déplacement sont identiques si ce dernier est très petit. Bien que la distance et la norme du déplacement ne soient pas toujours identiques (voir la discussion précédente sur la différence entre distance et déplacement), elles sont nécessairement égales si elles sont très petites.
4. Accélération
L'accélération est une grandeur vectorielle ; elle possède donc une magnitude et une direction. Son symbole est a (accélération). Son unité SI est le mètre par seconde au carré (m/s² ).
a. Accélération moyenne
Exemple de problème :
Une voiture démarre en direction de l'est et atteint une vitesse de 10 m/s pendant 5 secondes. Calculez la valeur de son accélération moyenne.
La direction de l'accélération moyenne est vers l'est.
En moyenne, la vitesse de la voiture augmente de 2 m/s par seconde. Si l'accélération de la voiture est constante, sa vitesse augmentera toujours de 2 m/s par seconde. Si l'accélération n'est pas constante, sa vitesse n'augmentera pas toujours de 2 m/s par seconde. Elle pourrait par exemple augmenter de 1 m/s la première seconde, puis de 3 m/s la seconde suivante. Cependant, en moyenne, sur une période de 5 secondes, la vitesse de la voiture augmente de 2 m/s par seconde.
b. Accélération instantanée
L'accélération instantanée est une variation de vitesse sur un intervalle de temps très court. On parle souvent d'accélération simplement. Ainsi, lorsqu'on évoque une accélération, il s'agit bien d'une accélération instantanée. Un objet subit une accélération si sa vitesse change. La vitesse est une grandeur vectorielle, qui comprend une norme et une direction. Il existe donc trois conditions dans lesquelles un objet en mouvement est considéré comme accélérant. Premièrement, un objet subit une accélération si la norme de sa vitesse change (sa direction restant constante).
Dans le premier exemple, une voiture est initialement à l'arrêt (v = 0). Une seconde plus tard, sa vitesse passe à 5 m/s. La vitesse de la voiture augmente, on dit donc qu'elle accélère. Dans le deuxième exemple, une voiture se déplace initialement à une vitesse de 5 m/s. Une seconde plus tard, elle s'arrête. Sa vitesse diminue car on dit qu'elle subit une décélération. Deuxièmement, on dit qu'un objet subit une accélération si la direction de sa vitesse change (la norme de la vitesse restant constante). La direction de la vitesse est égale à la direction du déplacement, c'est-à-dire la direction du mouvement. Troisièmement, on dit qu'un objet subit une accélération si la norme et la direction de sa vitesse changent toutes deux.
