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Physique · Prépa concours post-bac — ENA Architecture

Applications des lois de Newton (Chute verticale, Mouvements plans)

Le cours expliqué simplement, les questions que tous les élèves se posent et des exercices type examen national. Programme marocain, gratuit.

📘 Fiche de cours

L'essentiel du cours

  1. Chute verticale :
    • Dans le vide : $\vec{P} = m\vec{a} \implies \vec{a} = \vec{g}$.
    • Dans un fluide : $\sum \vec{F}_{ext} = m\vec{a} \implies \vec{P} + \vec{F}_A + \vec{f} = m\vec{a}$.
    • $\vec{F}A = -\rho{fluide} \cdot V \cdot \vec{g}$ et $\vec{f} = -k\vec{v}$ (ou $-k\vec{v}^2$).
  2. Mouvements plans :
    • Projectile dans un champ de pesanteur uniforme : $\vec{a} = (0, -g)$.
    • Équations horaires : $x(t) = (v_0 \cos\alpha)t$ et $y(t) = -\frac{1}{2}gt^2 + (v_0 \sin\alpha)t + y_0$.
    • Équation de la trajectoire : $y = -\frac{g}{2v_0^2 \cos^2\alpha}x^2 + (\tan\alpha)x + y_0$.

Méthodes à maîtriser

  • Choisir un repère adapté (souvent l'axe $Oz$ vers le bas pour la chute).
  • Projeter correctement les forces sur les axes.
  • Déterminer les constantes d'intégration à partir des conditions initiales ($t=0$).
  • Utiliser le repère de Frenet pour les mouvements curvilignes (accélération normale $a_n = v^2/\rho$).

Exemples corrigés

  • Chute libre : Si $v_0=0$, alors $v(t) = gt$ et $z(t) = \frac{1}{2}gt^2$.
  • Portée : Pour $y=0$, $x_P = \frac{v_0^2 \sin(2\alpha)}{g}$.

Erreurs fréquentes

  • Oublier le signe moins dans la projection des forces opposées au mouvement.
  • Confondre la vitesse initiale $v_0$ avec ses composantes $v_{0x}$ et $v_{0y}$.
  • Négliger la poussée d'Archimède quand elle est demandée.

🌉 Jisr : les mots du chapitre FR ⇄ AR

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Défi flash : 4 questions

Sans compte

🎯 Applications des lois de Newton (Chute verticale, Mouvements plans)

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Dans le vide, l'accélération d'un objet en chute libre est :

❓ Questions fréquentes

Est-ce que la poussée d'Archimède est toujours négligeable dans l'air ?

Non, elle n'est pas toujours négligeable. Elle dépend du rapport entre la masse volumique du fluide et celle de l'objet. Si l'objet est très dense (ex: bille d'acier), on la néglige souvent, mais si l'objet est léger (ex: balle de ping-pong), elle doit être prise en compte.

💡 À retenir : Vérifie toujours les données de l'énoncé (masse volumique) avant de négliger une force.

Kifach n7seb l'accélération f l'akher dial l7araka (vitesse limite) ?

F l'akher dial l7araka, ssor3a katwli constante, ya3ni l'accélération $a = dv/dt = 0$.

  1. Diri l'équation dial Newton : $\sum F = m \cdot a$.
  2. 3awdi $a$ b 0.
  3. 7elli l'équation bach tlgay $v_{lim}$.

💡 À retenir : À la vitesse limite, la somme des forces est nulle.

Pourquoi on utilise le repère de Frenet ?

On utilise le repère de Frenet pour les mouvements curvilignes car il permet de séparer l'accélération en deux composantes :

  1. L'accélération tangentielle ($a_t = dv/dt$) qui traduit la variation de la valeur de la vitesse.
  2. L'accélération normale ($a_n = v^2/R$) qui traduit la variation de la direction du vecteur vitesse.

💡 À retenir : Frenet est indispensable quand la trajectoire est courbe.

Chno hiya lfar9 bin l'équation horaire o l'équation de la trajectoire ?
  1. L'équation horaire : kat3tina lmawdi3 ($x$ ou $y$) bddalala dial lwa9t $t$.
  2. L'équation de la trajectoire : kat3tina l3ala9a bin $y$ o $x$ (kan7ydo $t$ bin l'équations horaires).

💡 À retenir : Trajectoire = éliminer $t$.

Est-ce que la masse de l'objet influence la chute dans le vide ?

Non, dans le vide, l'accélération est égale à $g$ quelle que soit la masse. Tous les corps tombent à la même vitesse.

💡 À retenir : $m \cdot a = m \cdot g \implies a = g$.

Kifach n7ddo l'équation de la trajectoire ?
  1. Ktb l'équations horaires $x(t)$ et $y(t)$.
  2. Khoudi $x(t)$ et 3zli $t$ (ya3ni $t = x / v_{0x}$).
  3. 3awdi had $t$ f l'équation $y(t)$.

💡 À retenir : Substitution de $t$ dans $y(t)$.

Comment projeter le poids sur un plan incliné ?

Il faut tracer le triangle rectangle formé par le poids et ses composantes. Si $\alpha$ est l'angle d'inclinaison :

  1. $P_x = mg \sin\alpha$ (composante parallèle au plan).
  2. $P_y = -mg \cos\alpha$ (composante perpendiculaire au plan).

💡 À retenir : L'angle $\alpha$ se retrouve entre le vecteur $\vec{P}$ et la normale au plan.

Est-ce que la force de frottement est toujours -kvec{v} ?

Non, cela dépend du régime d'écoulement. Pour les faibles vitesses, on utilise $-k\vec{v}$ (régime laminaire). Pour les grandes vitesses, on utilise $-k\vec{v}^2$ (régime turbulent).

💡 À retenir : Regarde bien l'énoncé pour savoir quel modèle utiliser.

Pourquoi on dit que le mouvement est plan ?

Parce que le vecteur accélération et le vecteur vitesse initiale sont contenus dans un même plan. Le mouvement ne sort jamais de ce plan.

💡 À retenir : Si $\vec{v}_0$ et $\vec{a}$ sont coplanaires, le mouvement est plan.

Est-ce que la portée dépend de la masse ?

Dans le vide, non. Dans l'air, oui, car les forces de frottement dépendent de la forme et de la taille de l'objet, ce qui influence sa décélération.

💡 À retenir : Dans le vide, seule l'angle et la vitesse initiale comptent.

Comment trouver la flèche (hauteur max) ?

À la flèche, la composante verticale de la vitesse est nulle : $v_y = 0$.

  1. Utilise l'équation $v_y(t) = -gt + v_{0y} = 0$.
  2. Trouve le temps $t_s$ correspondant.
  3. Calcule $y(t_s)$.

💡 À retenir : $v_y = 0$ à la hauteur maximale.

Est-ce que le vecteur accélération est toujours vertical ?

Dans le cas d'un projectile dans un champ de pesanteur uniforme, oui, car seule la force poids agit. Si d'autres forces (frottements) interviennent, l'accélération change de direction.

💡 À retenir : $\vec{a} = \sum \vec{F} / m$.

✍️ Exercices type examen national

Exercice 1

Un ballon est lancé avec une vitesse $v_0 = 20$ m/s sous un angle $\alpha = 30^\circ$ par rapport à l'horizontale. On néglige les frottements. Calculer la portée.

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Exercice 2

Une bille tombe dans l'huile. La force de frottement est $\vec{f} = -k\vec{v}$. Établir l'équation différentielle du mouvement.

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Exercice 3

Un projectile est lancé horizontalement d'une hauteur $h=10$ m avec $v_0=15$ m/s. Calculer la vitesse à l'impact au sol.

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