- Exploiter le principe d’inertie ou sa contraposée pour en déduire des informations soit sur la nature du mouvement d’un système modélisé par un point matériel, soit sur les forces.
- Relier la variation entre deux instants voisins du vecteur vitesse d’un système modélisé par un point matériel à l’existence d’actions extérieures modélisées par des forces dont la somme est non nulle.
- Relier la variation entre deux instants voisins du vecteur vitesse d’un système modélisé par un point matériel dans le cas d’un mouvement de chute libre à une dimension (avec ou sans vitesse initiale) au sens du vecteur poids exercé sur celui-ci.
- Réaliser et exploiter une vidéo ou une chronophotographie d’un système modélisé par un point matériel en mouvement pour relier les variations du vecteur vitesse et la somme des forces appliquées.
Principe d’inertie
Quand un ballon est posé sur le sol, il ne se met pas à bouger tout seul. Il faut exercer une action mécanique extérieure sur lui.
Comme on le voit, il y a pourtant des forces qui s’exercent sur le ballon : l’attraction de la Terre et la résistance du sol. Mais ces deux forces se compensent car elles ont la même valeur, la même direction mais des sens opposés : on dit que la somme des forces qui s’exercent sur le ballon est nulle.
Dès le XVIIe siècle, Isaac Newton a défini cette situation sous le nom de principe d’inertie : Tout objet qui est soumis à des actions mécaniques dont la somme est nulle (ou a aucune action mécanique) reste au repos ou continue dans un mouvement rectiligne uniforme (s’il en avait un au départ).
Ainsi, un objet lancé loin de toute planète dans l’espace continuerait indéfiniment à se déplacer en ligne droite tant qu’aucune action mécanique ne vient modifier sa trajectoire.
Ce principe fonctionne dans les deux sens : un objet immobile ou en mouvement rectiligne uniforme est également soumis à des forces qui se compensent.
A contrario, si un objet n’est pas immobile et qu’il ne se déplace pas selon un mouvement rectiligne uniforme, alors les forces qui s’exercent sur lui ne se compensent pas.
Inertie et vecteur vitesse
L’étude du vecteur vitesse permet de savoir si nous sommes dans une situation d’inertie, forces qui se compensent, ou pas : ce ne sera le cas que si le vecteur vitesse est invariant (même valeur, sens et direction).
Si le vecteur vitesse varie (change de direction, de sens et/ou de valeur), alors les forces appliquées au système ne se compensent pas.
Chute libre
Dans le cas particulier de la chute libre, l’objet n’est soumis qu’à son poids. En pratique c’est rarement le cas dans l’atmosphère car le frottement de l’air va agir sur un objet qui chute, sauf sur de petites distances ou si ces frottements sont rendus négligeable par d’autres conditions (forme, vide…).
Si on étudie la variation de la vitesse lors d’une chute libre, on pourra constater qu’entre deux instants voisins, la variation du vecteur vitesse aura même sens et même direction que le vecteur poids, qui est la seule force qui s’exerce sur le système.
Cela restera valable si on lance un objet vers le haut et qu’il n’est soumis qu’à la force de son poids. Dans les deux cas nous ne sommes évidemment pas dans une situation d’inertie puisqu’une seule force s’applique au système.