TD — Mécanique du point 1 : cinématique, repères et composition des vitesses
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1. Contexte : première séance de TD (mise en douceur) — [00:00]
- Le prof avait pensé annuler la séance («j’avais vraiment envie d’annuler une heure avant»), mais il a décidé de faire une petite séance, tout doucement, pour mettre tout le monde au même niveau — [00:04].
- Exercices faits « tout doucement » ; on n’ira pas trop loin. Plus d’exercices la semaine prochaine — [01:08].
- C’est un cours qui touche un peu plus à la physique que les autres → il y a une part d’intuition / sens physique (approche physique du problème), mais sans basculer dans la physique — [01:27].
- C’est la grosse introduction de ce qui se fera en Bac 3 ; c’est la première fois que ce prof donne ce cours-ci (son autre cours, il le donne depuis plusieurs années) — [01:59].
- Certains étudiants repassent le cours pour la 2ᵉ fois (l’ont déjà fait l’année dernière) — [02:22].
- Première partie du cours : la cinématique — les repères, les vitesses et les accélérations — [02:34].
-
📌 Avis du prof : « Arrêtez-moi si vous ne l’avez pas vu » (ces rappels ne sont probablement pas neufs pour tout le monde) — [02:51].
2. Rappels : vecteurs, norme, vitesse et accélération — [03:01]
Écriture vectorielle
- Un vecteur s’écrit via ses composantes (projetées sur une base) : plan → 2 composantes, 3D → 3 composantes — [03:34].
- Le vecteur position peut s’appeler X, R ou A, comme on veut ; dans l’écriture générale on utilise x₁, x₂, x₃ — [03:27].
- Composantes notées x₁, x₂, x₃ par rapport à une base E₁, E₂, E₃ (ou x, y, z ; on peut aussi écrire e₁, e₂, e₃) — [03:51].
- Dans les slides les vecteurs sont en gras ; au tableau le prof met des flèches — c’est la même chose, chacun fait comme il veut — [03:54].
- Norme d’un vecteur : rappel (vous connaissez déjà) — [04:17].
Vitesse et accélération — [04:30]
- Vecteur vitesse : on dérive le vecteur position par rapport au temps. Concrètement : on dérive chaque composante x₁, x₂, x₃ par rapport au temps, puis on réécrit le tout dans la bonne base E₁, E₂, E₃.
- Vecteur accélération : dérivée seconde de la position (ou dérivée première de la vitesse).
-
C’est un rappel ; normalement tout le monde l’a déjà vu — [04:59].
3. Mouvements absolu, relatif et d’entraînement — [05:14]
- C’est l’introduction (on fera plus d’exercices la semaine prochaine) — [05:16].
- Mouvement absolu : mouvement du point par rapport à un repère fixe (qui ne bouge pas) — [05:24].
- Mouvement relatif : le même mouvement de , mais par rapport à un repère mobile — [05:36].
- Mouvement d’entraînement : le mouvement du repère mobile lui-même par rapport au repère fixe — [05:44].
Théorème de composition des vitesses — [05:54]
- bouge dans un repère mobile qui lui-même bouge par rapport au repère fixe → pour obtenir la vitesse absolue de il faut sommer les deux vitesses — [06:12].
« C’est déjà tout pour le repère ; le reste se fera par les exercices d’aujourd’hui. » — [06:29]
4. Exercice 1 : vecteur position → vitesse et accélération — [07:07]
Énoncé (complet)
On donne un vecteur position sous deux formes équivalentes — la liste des composantes ou la somme « composante × vecteur de base » ; le prof insiste : « ces deux formes sont exactement la même chose, seule différence : on précise le repère dans lequel on travaille » — [08:19]. Exemple du cours (le vecteur de position suivant) — [17:02] :
L’appellation « vecteur » est la même que celle qui entrera dans la slide ; on peut écrire , , … — [07:11]
Questions du corrigé :
- Vérifier que les vecteurs vitesse et accélération sont perpendiculaires — [18:37].
- Vérifier que (produit scalaire) — [27:45].
- Montrer que (produit vectoriel) est un vecteur constant — [34:49].
Dérivation du vecteur (le prof dérive d’abord) — [17:02]
4.1 Vérifier que vitesse et accélération sont orthogonales — [18:37]
L’outil pour vérifier l’orthogonalité de 2 vecteurs : le produit scalaire — [20:06]. On développe composante à composante :
Le produit des composantes « cosinus fois sinus » s’annule (même produit, termes opposés) → .
4.1bis Remarque importante : accélération centrale — [24:29]
- Le vecteur position est, par définition, toujours dirigé de l’origine vers l’extérieur (quel que soit le sens) ; le vecteur accélération, lui, va vers l’origine — [25:36].
- Ici on a réécrit (toutes les composantes portent le facteur ) → est proportionnel au vecteur position et de sens opposé ( mais opposé) : pas , la constante est — [24:51].
- C’est ce qu’on appelle une accélération centrale (dirigée vers l’origine) — [24:38].
⚠️ Important : le donne le sens — c’est bien un vecteur dirigé vers l’origine. Le prof insiste : « je vous l’ai dit à l’oral, mais notez-le bien ». Très utile plus tard pour les forces centrales (Bac 3) — [27:06].
4.2 Norme de l’accélération proportionnelle à la norme de la position — [27:45]
Symbole : « ∝ » signifie proportionnel — compare et — [28:02].
- La constante multiplicatrice est — [34:14].
- Oui, ici elle est bien proportionnelle : — [34:18].
4.3 Produit vectoriel constant — [34:49]
D’abord le prof vérifie que tout le monde se souvient du produit vectoriel (certains ne venaient pas d’algèbre, d’autres l’ont fait différemment) — [35:11]. On se place dans la base E₁, E₂, E₃ et on écrit les composantes de et de :
| 0 | |||
| 0 |
Développement du déterminant (composante par composante) :
- : → — [37:27].
- : → — [37:47].
- : — [38:02].
- premier terme : ;
- deuxième terme : « moins × moins = plus » → .
- Total : — [38:13].
Résultat :
Ce vecteur est constant : il ne dépend que de (qui est une constante) et pas explicitement de — [38:44].
⚠️ Cuidado con los signos au développement du déterminant : dans la composante E₃ le terme en sin multiplie → « moins × moins = plus » (sinon le résultat final serait faux).
5. Exercice 2 : dérivée de la norme (identité à toute épreuve) — [40:11]
Énoncé
On pose un vecteur écrit par ses composantes (x₁, x₂, x₃). Montrer l’identité — [40:21] :
On doit donc écrire trois expressions puis vérifier : , , et — [41:22]. À la fin on reconnaît un produit scalaire — [41:45].
Correction complète (pas à pas) — [48:49]
- Dérivée du vecteur, composantes : — [57:15].
- Norme : — [57:29].
- Dérivée d’une racine (règle) : — [58:49].
- On dérive l’intérieur (règle de la chaîne : ) :
- On simplifie le facteur 2 (×2/÷2) — [01:00:06] ; puis on simplifie la racine du dénominateur avec celle du numérateur () — [01:00:13–01:00:46] :
- On reconnaît le produit scalaire composante à composante : — [01:00:50–01:01:35]. Les deux expressions sont équivalentes : l’identité est démontrée — [01:01:35].
Relation valable pour n’importe quel vecteur (pas seulement la position) — d’où les applications.
Application : vitesse de norme constante ⇒ accélération ⊥ vitesse — [01:01:48]
Le prof donne l’énoncé : « Si une particule se meut à une vitesse de norme constante, alors son accélération est constamment perpendiculaire à la vitesse. »
- L’identité est vraie pour n’importe quel vecteur, donc aussi pour — [01:02:16].
- On applique la relation avec :
- constante ⇒ sa dérivée vaut 0 : ⇒ — [01:03:14].
- Conclusion : .
6. Exercice 3 : cerceau (disque) qui roule sans glisser — [01:05:28]
Énoncé (complet) — [01:05:28]
- Un disque de rayon roule sans glisser sur l’axe OX : chaque point de la circonférence vient toucher l’axe de manière instantanée (pas de glissement) — [01:05:49].
- Condition initiale à : le centre M est sur l’axe O, en ; le point de la circonférence qui touche l’axe est en — [01:06:01].
- Objectif : trouver le vecteur position de en fonction du temps : .
⚠️ Attention : ce n’est pas , c’est bien (par rapport à l’origine O) — [01:09:17]. Il faut donc passer par les vecteurs intermédiaires qui aident à déterminer OP.
Stratégie : — [01:08:48]
États en — [01:08:40]
- : en ; en → — [01:09:37].
- : il se situe en (le point qui touche l’axe) → — [01:10:05].
- : en , est verticalement sous → — [01:10:18].
Paramétrage par l’angle — [01:12:36]
- Au cours du roulement, on définit l’angle entre la verticale et — [01:12:57].
- Difficulté : le centre M reste toujours à la même hauteur (stagnant en ), mais avance en ; le point P, lui, bouge aussi bien en qu’en — [01:13:12].
OM : mouvement du centre (arc déroulé) — [01:15:04]
- En , M reste toujours à la hauteur ; en , l’avance correspond à l’arc de circonférence déroulé (roulement sans glissement) — [01:14:50].
- Étudiant : « c’est l’angle lui-même, en radian ». Le prof complète : il manque × le rayon → — [01:15:41–01:16:09].
MP : rotation du point autour du centre — [01:16:48]
- tourne autour de : sa position n’est plus simplement ; et changent tous les deux → il faut sin et cos — [01:17:04].
- Trigonométrie (angle mesuré depuis la verticale) : l’adjacent (cos) est sur , l’opposé (sin) est sur — c’est l’inverse de l’habitude (coordonnées polaires où l’angle se mesure depuis l’axe ) → un peu contre-intuitif — [01:17:26–01:17:56].
OP (résultat final) — [01:18:01]
On somme les deux vecteurs :
(avec ). C’est bien la position de par rapport à l’origine , en fonction de l’angle — [01:18:51].
Suite de l’exercice : vitesse et accélération de P — [01:19:08]
« La suite est un peu plus simple : calculer le vecteur vitesse et le vecteur accélération. Je vous laisse le faire (~5 min), puis je mets la solution » — [01:19:16–01:19:46].
Développement complet (dériver chaque composante de ) :
- Composante : .
- Composante : .
En dérivant une 2ᵉ fois (règle du produit et de la chaîne) :
- : ;
- : .
Correction du signe (question d’un étudiant, fin de séance) — [01:24:19]
- Étudiant : « le dernier signe, c’est pas un moins ? le dernier terme : » — [01:26:08].
- Le prof confirme : le moins est bien dans l’égalité (dans l’expression de la composante de ) — [01:26:16] ; il n’avait pas vu qu’il faut dériver le terme complet entre parenthèses → dériver donne — [01:26:20].
⚠️ Cuidado : ne pas oublier le signe qui précède le terme en dans la composante de l’accélération (il vient de la dérivée de → multipliée par le déjà présent).
📌 Remarque (hors corrigé) : si le disque tourne à vitesse angulaire constante (, ), les termes en s’annulent et il reste des termes de type centripète dirigés vers ; la trajectoire de est une cycloïde.
Points clés — [résumé]
- Un vecteur → composantes + base (E₁, E₂, E₃ ou x, y, z) ; 2 composantes en plan, 3 en 3D ; appelations X, R ou A ; gras dans les slides ↔ flèche au tableau ; norme.
- Vitesse = dérivée 1ère du vecteur position ; accélération = dérivée 2de (ou 1ère de la vitesse) — dériver chaque composante et la réécrire dans la base.
- Trois mouvements : absolu (repère fixe), relatif (repère mobile), d’entraînement (mouvement du repère mobile vs fixe).
- .
- Deux écritures équivalentes d’un vecteur : liste de composantes ou somme « composante × vecteur de base » — même chose, on précise le repère.
- Mouvement : , (accélération centrale, vers l’origine), (produit scalaire nul), , (constant, via déterminant).
- Identité (dériver la racine : , simplifier 2 et racine) → valable pour tout vecteur → vitesse de norme constante ⇒ .
- Roulage sans glissement : avec , → .
- Vitesse de P : ; accélération : — attention au signe du dernier terme.