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

Mécanique du point : Référentiels non galiléens

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

Dans un référentiel non galiléen $\mathcal{R}'$ en mouvement par rapport à un référentiel galiléen $\mathcal{R}$, le principe fondamental de la dynamique (PFD) s'écrit : $$\sum \vec{F}{ext} + \vec{F}{ie} + \vec{F}{ic} = m \vec{a}{a}$$

  • Force d'inertie d'entraînement : $\vec{F}{ie} = -m \vec{a}{e} = -m (\vec{a}_{O'} + \vec{\Omega} \wedge (\vec{\Omega} \wedge \vec{OM}) + \dot{\vec{\Omega}} \wedge \vec{OM})$
  • Force d'inertie de Coriolis : $\vec{F}{ic} = -2m (\vec{\Omega} \wedge \vec{v}{r})$ où $\vec{v}_{r}$ est la vitesse relative dans $\mathcal{R}'$.

Méthodes à maîtriser

  1. Identification du référentiel : Déterminer si le mouvement est une translation (accélérée) ou une rotation.
  2. Calcul des vecteurs : Calculer $\vec{\Omega}$ et $\vec{a}_{e}$ avec rigueur.
  3. Projection : Projeter le PFD dans la base liée au référentiel non galiléen.
  4. Bilan des forces : Ne jamais oublier d'ajouter les forces d'inertie aux forces réelles.

Exemples corrigés

Exemple : Masse sur un plateau tournant. Un point $M$ de masse $m$ est immobile sur un plateau tournant à vitesse angulaire constante $\omega$.

  • $\vec{a}_{e} = \vec{\Omega} \wedge (\vec{\Omega} \wedge \vec{OM}) = -\omega^2 \vec{HM}$.
  • $\vec{F}_{ie} = m \omega^2 \vec{HM}$ (force centrifuge).
  • $\vec{F}{ic} = 0$ car $\vec{v}{r} = 0$.

Erreurs fréquentes

  • Oublier le signe $(-)$ dans les expressions des forces d'inertie.
  • Confondre l'accélération d'entraînement avec l'accélération relative.
  • Oublier la force de Coriolis quand le point est en mouvement dans le référentiel tournant.

🌉 Jisr : les mots du chapitre FR ⇄ AR

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Défi flash : 4 questions

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🎯 Mécanique du point : Référentiels non galiléens

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La force de Coriolis est nulle si :

❓ Questions fréquentes

Est-ce que la force de Coriolis travaille ?

Non, la force de Coriolis $\vec{F}{ic} = -2m (\vec{\Omega} \wedge \vec{v}{r})$ est toujours perpendiculaire à la vitesse relative $\vec{v}{r}$. Par conséquent, sa puissance $P = \vec{F}{ic} \cdot \vec{v}_{r}$ est nulle. Elle ne modifie pas l'énergie cinétique du point.

💡 À retenir : La force de Coriolis ne travaille jamais.

Kifach n7seb vec{a}{e} ila kan l'mraji3 f'dawaran?
  1. 7edded $\vec{\Omega}$ (l'axe de rotation).
  2. 7seb $\vec{a}{e} = \vec{a}{O'} + \vec{\Omega} \wedge (\vec{\Omega} \wedge \vec{OM}) + \dot{\vec{\Omega}} \wedge \vec{OM}$.
  3. Ila kan $\vec{\Omega}$ constant, $\dot{\vec{\Omega}} = 0$.
  4. Ila kan $O'$ ثابت، $\vec{a}_{O'} = 0$.

💡 À retenir : $\vec{a}_{e}$ est l'accélération d'un point fictif immobile dans le référentiel tournant.

Chno hiya l'far9 bin l'mraji3 l'ghalili w'ghir l'ghalili?
  1. F'mraji3 ghalili, le PFD est $\sum \vec{F} = m\vec{a}$.
  2. F'mraji3 ghir ghalili, khassna nzidou les forces d'inertie (fictives) bach yb9a l'PFD s7i7.

💡 À retenir : Les forces d'inertie n'existent que dans les référentiels non galiléens.

Wach l'force centrifuge hiya bidha vec{F}{ie}?

Oui, dans le cas d'un référentiel en rotation uniforme, la force d'inertie d'entraînement est appelée force centrifuge. Elle est dirigée vers l'extérieur du centre de rotation.

💡 À retenir : $\vec{F}_{centrifuge} = m \omega^2 \vec{HM}$.

Kifach n3ref wach l'mraji3 ghalili wla la?

Un référentiel est galiléen s'il est en mouvement de translation rectiligne uniforme par rapport au référentiel héliocentrique (considéré comme galiléen).

💡 À retenir : Si le référentiel accélère ou tourne, il est non galiléen.

Est-ce que le poids change dans un référentiel non galiléen ?

Le poids apparent est la somme du poids réel et des forces d'inertie. Il dépend donc de l'accélération du référentiel.

💡 À retenir : $\vec{P}{app} = \vec{P} + \vec{F}{ie} + \vec{F}_{ic}$.

Pourquoi on utilise les référentiels non galiléens ?

Parfois, il est beaucoup plus simple de décrire un mouvement dans un référentiel lié à l'objet (ex: une personne dans un train ou sur un manège) plutôt que dans le référentiel terrestre.

💡 À retenir : C'est un choix de commodité mathématique.

Est-ce que la force de Coriolis dépend de la masse ?

Oui, $\vec{F}{ic} = -2m (\vec{\Omega} \wedge \vec{v}{r})$. Elle est proportionnelle à la masse $m$ du point matériel.

💡 À retenir : Plus la masse est grande, plus la force de Coriolis est importante.

Est-ce que vec{F}{ie} dépend de la vitesse relative ?

Non, $\vec{F}_{ie}$ ne dépend que de la position du point et du mouvement du référentiel. Elle ne dépend pas de la vitesse du point dans ce référentiel.

💡 À retenir : Seule la force de Coriolis dépend de la vitesse relative.

Comment projeter vec{Omega} wedge (vec{Omega} wedge vec{OM}) ?

En utilisant la formule du double produit vectoriel : $\vec{A} \wedge (\vec{B} \wedge \vec{C}) = \vec{B}(\vec{A} \cdot \vec{C}) - \vec{C}(\vec{A} \cdot \vec{B})$.

💡 À retenir : $\vec{\Omega} \wedge (\vec{\Omega} \wedge \vec{OM}) = \vec{\Omega}(\vec{\Omega} \cdot \vec{OM}) - \vec{OM}(\Omega^2)$.

Est-ce que le référentiel terrestre est galiléen ?

Il est considéré comme galiléen pour des durées courtes (ex: chute libre), mais il est non galiléen à cause de sa rotation propre (effet Coriolis sur les vents).

💡 À retenir : Pour le BAC, on le considère souvent comme galiléen sauf mention contraire.

Est-ce que vec{a}{e} peut être nulle dans un référentiel non galiléen ?

Oui, si le référentiel est en translation rectiligne uniforme, il est galiléen. S'il est en rotation, $\vec{a}_{e}$ n'est nulle qu'au centre de rotation si $\vec{\Omega}$ est constant.

💡 À retenir : $\vec{a}_{e} = 0$ seulement si le référentiel est galiléen.

✍️ Exercices type examen national

Exercice 1

Un point $M$ de masse $m$ glisse sans frottement sur une tige horizontale tournant autour d'un axe vertical $Oz$ avec une vitesse angulaire constante $\omega$. Établir l'équation différentielle du mouvement de $r(t) = OM$.

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Exercice 2

Une masse $m$ est suspendue à un fil dans un wagon accélérant avec $\vec{a} = a_0 \vec{i}$. Déterminer l'angle $\theta$ d'équilibre du fil par rapport à la verticale.

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Exercice 3

Calculer la déviation vers l'Est d'un objet lâché d'une hauteur $h$ au niveau de l'équateur.

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