Système, référentiel et relativité du mouvement
Description d'un mouvement
Système, référentiel et relativité du mouvement
Introduction
En physique, décrire un mouvement est l'une des premières compétences à acquérir. Mais avant de parler de vitesse ou de trajectoire, il faut préciser quel objet on étudie et par rapport à quoi on décrit son mouvement. C'est tout l'enjeu de cette leçon.
Le système
Définition
On appelle système l'objet ou l'ensemble d'objets dont on étudie le mouvement. Pour simplifier l'étude, on modélise souvent le système par un point matériel : un point géométrique auquel on attribue toute la masse du système.
Exemple : pour étudier le mouvement d'une voiture sur une autoroute, on peut assimiler la voiture à un point situé en son centre de gravité.
Quand utiliser le modèle du point matériel ?
Ce modèle est valable lorsque les dimensions du système sont négligeables devant les distances parcourues. Une voiture de 4 m qui parcourt 100 km peut être assimilée à un point ; un ballon de football que l'on étudie lors d'un tir à 20 m aussi.
Le référentiel
Définition
Un référentiel est un solide de référence, muni d'un repère d'espace et d'une horloge, par rapport auquel on décrit le mouvement du système.
Le choix du référentiel est fondamental : un même objet peut être immobile dans un référentiel et en mouvement dans un autre.
Les référentiels courants
| Référentiel | Solide de référence | Utilisation typique |
|---|---|---|
| Terrestre (ou du laboratoire) | Le sol, un bâtiment, la salle de classe | Mouvements à la surface de la Terre |
| Géocentrique | Le centre de la Terre | Mouvement de la Lune, des satellites |
| Héliocentrique | Le centre du Soleil | Mouvement des planètes |
La relativité du mouvement
Principe
Le mouvement d'un objet dépend du référentiel dans lequel on l'observe. On dit que le mouvement est relatif.
Exemple concret
Imaginons un passager assis dans un train en marche :
- Dans le référentiel du train : le passager est immobile (il ne bouge pas par rapport au wagon).
- Dans le référentiel terrestre : le passager est en mouvement (il se déplace avec le train par rapport au sol).
Autre exemple
Un cycliste pédale sur une route droite. Sa main droite :
- est en mouvement circulaire dans le référentiel du vélo (elle tourne avec le guidon ou la pédale) ;
- décrit une trajectoire plus complexe (cycloïde) dans le référentiel terrestre.
Conclusion essentielle : il n'y a pas de mouvement « absolu ». Tout mouvement est décrit par rapport à un référentiel choisi. Préciser le référentiel est obligatoire pour toute description de mouvement.
Le repère d'espace et le repère de temps
Pour repérer la position d'un point dans un référentiel, on utilise un repère d'espace :
- Repère à une dimension (axe $Ox$) : suffisant pour un mouvement rectiligne.
- Repère à deux dimensions (axes $Ox$ et $Oy$) : pour un mouvement plan (ex : trajectoire parabolique).
- Repère à trois dimensions (axes $Ox$, $Oy$ et $Oz$) : pour un mouvement quelconque dans l'espace.
On associe au repère une horloge (origine des temps $t = 0$) pour mesurer les instants successifs. La position du système est alors une fonction du temps : $M(t)$.
Enregistrement d'un mouvement
Chronophotographie
La chronophotographie consiste à photographier un objet en mouvement à intervalles de temps égaux $\Delta t$. On obtient une série de positions $M_0, M_1, M_2, \ldots$ qui permettent de reconstituer la trajectoire et d'estimer les vitesses.
Pointage vidéo
Avec un logiciel de pointage (ex : Aviméca, Tracker), on relève les coordonnées $Ox$0 du système image par image. Cela fournit un tableau de valeurs $Ox$1 et $Ox$2.
À retenir
- Le système est l'objet étudié, modélisé par un point matériel si ses dimensions sont négligeables.
- Le référentiel est le solide de référence + repère + horloge.
- Le mouvement est relatif : sa description dépend du référentiel choisi.
- Préciser le référentiel est indispensable avant toute description cinématique.