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Physique · Classes prépa (CPGE) — 2ème année — TSI

Mécanique du point : Mouvement dans un champ de force centrale

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

Un champ de force est central s'il dérive d'une énergie potentielle $E_p(r)$ ne dépendant que de la distance $r$ au centre de force $O$.

  • Moment cinétique : $\vec{L}_O = \vec{r} \wedge m\vec{v} = \text{constante}$. Le mouvement est plan.
  • Vitesse aréale : $\frac{dA}{dt} = \frac{L}{2m} = \text{constante}$ (2ème loi de Kepler).
  • Énergie mécanique : $E_m = \frac{1}{2}m\dot{r}^2 + E_{peff}(r)$ avec $E_{peff}(r) = \frac{L^2}{2mr^2} + E_p(r)$.

Méthodes à maîtriser

  1. Utilisation des coordonnées polaires : Exprimer $\vec{v}$ et $\vec{a}$ dans la base $(\vec{u}r, \vec{u}\theta)$.
  2. Étude du potentiel effectif : Tracer $E_{peff}(r)$ pour déterminer les états liés (orbites fermées) ou de diffusion.
  3. Application des lois de Kepler : Utiliser $T^2/a^3 = \text{cste}$ pour les systèmes en orbite.

Exemples corrigés

  • Détermination de l'orbite : Pour un potentiel en $1/r$, l'équation de la trajectoire est $r(\theta) = \frac{p}{1+e\cos\theta}$.
  • Calcul de la vitesse : Utiliser la conservation de l'énergie mécanique entre deux points (ex: périhélie et aphélie).

Erreurs fréquentes

  • Oublier que le mouvement est plan (donc $\vec{L}$ est constant).
  • Confondre l'énergie potentielle gravitationnelle $E_p = -G\frac{Mm}{r}$ avec le potentiel effectif.
  • Oublier le terme de barrière centrifuge $\frac{L^2}{2mr^2}$ dans l'étude énergétique.

🌉 Jisr : les mots du chapitre FR ⇄ AR

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Défi flash : 4 questions

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🎯 Mécanique du point : Mouvement dans un champ de force centrale

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Dans un mouvement à force centrale, quelle grandeur est toujours conservée ?

❓ Questions fréquentes

Est-ce que la période de révolution dépend de la masse du satellite ?
  1. Pour un satellite en orbite autour d'une planète, la 3ème loi de Kepler donne $T^2/a^3 = 4\pi^2 / (GM)$.
  2. La masse du satellite $m$ n'apparaît pas dans cette relation.
  3. Donc, la période ne dépend que de la masse de l'astre attracteur et du demi-grand axe.

💡 À retenir : La période est indépendante de la masse de l'objet en orbite.

Comment calculer l'excentricité e ?
  1. On utilise la relation $E_m = \frac{k^2m}{2L^2}(e^2 - 1)$ pour un potentiel en $k/r$.
  2. Ou bien on utilise les distances extrêmes : $e = \frac{r_a - r_p}{r_a + r_p}$.
  3. $e=0$ (cercle), $0 < e < 1$ (ellipse), $e=1$ (parabole), $e>1$ (hyperbole).

💡 À retenir : L'excentricité mesure l'écart de l'orbite par rapport au cercle.

Comment savoir si une force est centrale ?
  1. Une force est centrale si son vecteur est toujours dirigé vers un point fixe $O$ (le centre de force).
  2. Mathématiquement, cela signifie que $\vec{F} = f(r)\vec{u}_r$.
  3. Si la force dérive d'une énergie potentielle, alors $E_p$ ne doit dépendre que de la distance $r = |\vec{OM}|$.

💡 À retenir : Une force centrale conserve toujours le moment cinétique par rapport au centre de force.

Kifach n7seb l'énergie mécanique f had l'mouvement ?
  1. L'énergie mécanique est la somme de l'énergie cinétique et de l'énergie potentielle : $E_m = E_c + E_p$.
  2. En coordonnées polaires, $E_c = \frac{1}{2}m(\dot{r}^2 + r^2\dot{\theta}^2)$.
  3. Tu peux aussi utiliser le potentiel effectif : $E_m = \frac{1}{2}m\dot{r}^2 + E_{peff}(r)$.

💡 À retenir : $E_m$ est constante au cours du mouvement si le champ de force est conservatif.

Chno hiya l'utilité dyal l'potentiel effectif ?
  1. Il permet de ramener un problème à 3D vers un problème à 1D (selon la coordonnée $r$).
  2. Il aide à déterminer graphiquement les zones autorisées pour le mouvement ($E_m \geq E_{peff}$).
  3. Il permet de trouver les rayons des orbites circulaires (là où $dE_{peff}/dr = 0$).

💡 À retenir : Le minimum du potentiel effectif correspond à une orbite circulaire stable.

Wach l'mouvement dima 3ndo massar 3la chkel ellipse ?
  1. Non, la forme dépend de l'énergie mécanique $E_m$ et de la nature de la force.
  2. Pour une force en $1/r^2$ (gravitation), si $E_m < 0$, le mouvement est une ellipse (ou cercle).
  3. Si $E_m \geq 0$, le mouvement est une parabole ou une hyperbole (trajectoire non fermée).

💡 À retenir : Seules les orbites avec $E_m < 0$ sont des états liés.

Kifach nst3mel l'loi des aires f l'exercice ?
  1. La loi des aires dit que $\frac{dA}{dt} = \frac{L}{2m} = \text{constante}$.
  2. Si on te donne deux points $A$ et $B$, alors $\frac{Aire(A)}{dt} = \frac{Aire(B)}{dt}$.
  3. Cela permet souvent de relier les vitesses aux distances par rapport au centre.

💡 À retenir : La vitesse est maximale au périhélie et minimale à l'aphélie.

Est-ce que le moment cinétique dépend du référentiel ?
  1. Oui, le moment cinétique $\vec{L}_O$ dépend du point $O$ choisi comme origine.
  2. Pour qu'il soit constant, il faut que le référentiel soit galiléen et que la force soit centrale par rapport à $O$.

💡 À retenir : Choisis toujours le centre de force comme origine pour simplifier le calcul de $\vec{L}$.

Chno l'farq bin l'périhélie o l'aphélie ?
  1. Le périhélie est le point le plus proche du centre de force ($r_{min}$).
  2. L'aphélie est le point le plus éloigné du centre de force ($r_{max}$).
  3. À ces deux points, la vitesse radiale $\dot{r}$ est nulle.

💡 À retenir : En ces points, le vecteur vitesse est perpendiculaire au rayon vecteur.

Comment démontrer que le mouvement est plan ?
  1. On utilise le théorème du moment cinétique : $\frac{d\vec{L}_O}{dt} = \vec{M}_O(\vec{F})$.
  2. Comme la force est centrale, $\vec{F}$ est colinéaire à $\vec{r}$, donc $\vec{M}_O(\vec{F}) = \vec{r} \wedge \vec{F} = \vec{0}$.
  3. Donc $\vec{L}_O$ est constant. Comme $\vec{L}_O = \vec{r} \wedge m\vec{v}$, le vecteur $\vec{r}$ reste dans un plan perpendiculaire à $\vec{L}_O$.

💡 À retenir : $\vec{L}_O$ constant signifie que le vecteur position reste dans un plan fixe.

Pourquoi la vitesse n'est pas constante sur une ellipse ?
  1. Parce que la distance $r$ varie.
  2. Par conservation du moment cinétique $L = mrv_\theta = \text{cste}$, donc $v_\theta \propto 1/r$.
  3. De plus, l'énergie potentielle varie, donc l'énergie cinétique doit varier pour que $E_m$ reste constante.

💡 À retenir : La conservation de l'énergie impose une variation de la vitesse.

Est-ce que le champ de force centrale est toujours gravitationnel ?
  1. Non, il existe d'autres forces centrales comme la force électrostatique (loi de Coulomb).
  2. La forme mathématique est souvent la même (en $1/r^2$), mais les constantes changent.
  3. Le programme traite principalement le cas gravitationnel pour les satellites.

💡 À retenir : Les lois de Kepler s'appliquent à toute force en $1/r^2$.

✍️ Exercices type examen national

Exercice 1

Un satellite de masse $m$ est en orbite circulaire de rayon $R$ autour de la Terre (masse $M$).

  1. Exprimer la vitesse orbitale $v$ en fonction de $G, M, R$.
  2. Déterminer l'énergie mécanique du satellite.
  3. On veut placer le satellite sur une orbite plus haute. Faut-il fournir de l'énergie ? Justifier.
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Exercice 2

Un satellite décrit une ellipse de périhélie $r_p$ et d'aphélie $r_a$.

  1. Exprimer le moment cinétique $L$ en fonction de $r_p, r_a$ et des vitesses $v_p, v_a$.
  2. Montrer que $v_p r_p = v_a r_a$.
  3. Calculer le rapport $v_p / v_a$.
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Exercice 3

Soit un potentiel effectif $E_{peff}(r) = \frac{A}{r^2} - \frac{B}{r}$ avec $A, B > 0$.

  1. Trouver la position d'équilibre $r_0$ correspondant à une orbite circulaire.
  2. Quelle est la nature de cette orbite (stable ou instable) ?
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