Chapitre 3 — Mécanique

CAP | Physique-Chimie | Module 3 — Mécanique

🎯 Objectifs du chapitre

Délimiter un système et choisir un référentiel adapté
Différencier trajectoire rectiligne, circulaire et quelconque
Identifier un mouvement uniforme ou uniformément varié
Utiliser la relation $v = \dfrac{d}{t}$
Caractériser et représenter une force
Connaître la relation $P = m \times g$
Vérifier les conditions d’équilibre d’un solide soumis à deux forces

1. Décrire un mouvement

1.1 Référentiel

Référentiel
Un référentiel est un objet de référence par rapport auquel on étudie le mouvement. Un mouvement ne peut être défini que dans un référentiel choisi.

Exemple — Référentiel en atelier
Un menuisier pousse un chariot chargé de planches dans l’atelier.

Par rapport au sol de l’atelier : le chariot est en mouvement.
Par rapport au chariot : les planches sont immobiles.

Le référentiel le plus courant en atelier est le sol (référentiel terrestre).

1.2 Trajectoire

Trajectoire
La trajectoire est l’ensemble des positions successives occupées par un objet au cours de son mouvement, dans un référentiel donné.

Type de trajectoire	Forme	Exemple
Rectiligne	Ligne droite	Chariot qui avance en ligne droite dans l’atelier
Circulaire	Arc de cercle ou cercle	Lame de scie circulaire en rotation
Quelconque	Courbe irrégulière	Déplacement d’un technicien dans un chantier

1.3 Nature du mouvement

Mouvement uniforme et uniformément varié

Uniforme : la vitesse reste constante au cours du temps
Uniformément accéléré : la vitesse augmente régulièrement
Uniformément ralenti (décéléré) : la vitesse diminue régulièrement

Reconnaissance sur un enregistrement
Sur une chronophotographie (positions à intervalles de temps égaux) :

Points équidistants → mouvement uniforme
Points de plus en plus espacés → mouvement accéléré
Points de plus en plus rapprochés → mouvement ralenti

2. La vitesse moyenne

Relation vitesse – distance – durée $$v = \frac{d}{t}$$

$v$ : vitesse moyenne, en mètres par seconde (m/s) ou kilomètres par heure (km/h)
$d$ : distance parcourue, en mètres (m) ou kilomètres (km)
$t$ : durée du parcours, en secondes (s) ou heures (h)

Méthode — Calculer une vitesse moyenne

Repérer la distance parcourue $d$ et la durée $t$
Vérifier la cohérence des unités (m et s, ou km et h)
Appliquer $v = \dfrac{d}{t}$
Préciser l'unité du résultat

Application rapide
Un menuisier marche de son atelier au magasin en 2 min 30 s pour une distance de 120 m. Calculez sa vitesse en m/s.

$t = 2 \times 60 + 30 = 150$ s. $v = 120/150 = 0{,}8$ m/s.

Conversion m/s ↔ km/h
$$1 \text{ m/s} = 3{,}6 \text{ km/h}$$ Pour convertir : multiplier par 3,6 (m/s → km/h) ou diviser par 3,6 (km/h → m/s).

Exemple — Déplacement d’un chariot en atelier
Un chariot chargé de panneaux de bois parcourt $d = 24$ m en $t = 40$ s dans l’atelier. Quelle est sa vitesse moyenne ?

$v = \dfrac{d}{t} = \dfrac{24}{40} = 0{,}6$ m/s.
En km/h : $0{,}6 \times 3{,}6 = 2{,}16$ km/h (allure de marche lente).

Exemple — Camion de livraison
Un camion livre du matériel sur un chantier situé à $d = 45$ km. Le trajet dure $t = 0{,}75$ h. Calculer la vitesse moyenne.

$v = \dfrac{d}{t} = \dfrac{45}{0{,}75} = 60$ km/h.

3. Les forces

3.1 Notion de force

Force
Une force modélise une action mécanique exercée par un objet sur un autre. Une force peut mettre en mouvement, arrêter, déformer ou maintenir en équilibre un objet.

3.2 Caractéristiques d’une force

Les 4 caractéristiques d’une force
Une force est entièrement définie par :

Point d’application	L’endroit où s’exerce la force
Droite d’action	La direction de la force (horizontale, verticale, oblique...)
Sens	Vers le haut, vers le bas, vers la droite...
Valeur (intensité)	En newtons (N) — mesurée avec un dynamomètre

Application rapide
Un panneau de bois a une masse de 18 kg. Calculez son poids sur Terre ($g = 9{,}8$ N/kg). Dans quelle direction et quel sens s'exerce-t-il ?

$P = 18 \times 9{,}8 = 176{,}4$ N. Direction verticale, sens vers le bas.

Méthode — Représenter une force

Placer le point d’application sur l’objet
Tracer la droite d’action (direction)
Dessiner une flèche dans le bon sens
Indiquer la longueur proportionnelle à la valeur (choisir une échelle, ex. : 1 cm ↔ 5 N)
Noter le nom de la force (ex. : $\vec{F}$, $\vec{P}$)

Exemple — Levage d’une charge
Un ouvrier soulève une caisse de 20 kg. Il exerce une force $\vec{F}$ verticale, vers le haut, d’intensité au moins égale au poids de la caisse pour la soulever.

4. Le poids d’un objet

Poids
Le poids $\vec{P}$ d’un objet est la force d’attraction exercée par la Terre sur cet objet. Ses caractéristiques sont :

Direction : verticale
Sens : vers le bas (vers le centre de la Terre)
Point d’application : le centre de gravité de l’objet
Valeur : $P = m \times g$

Relation poids – masse $$P = m \times g$$

$P$ : poids, en newtons (N)
$m$ : masse, en kilogrammes (kg)
$g$ : intensité de la pesanteur, en N/kg (sur Terre : $g \approx 9{,}8$ N/kg $\approx 10$ N/kg)

Attention — Ne pas confondre poids et masse

	Masse	Poids
Nature	Quantité de matière	Force d’attraction
Unité	Kilogramme (kg)	Newton (N)
Instrument	Balance	Dynamomètre
Varie-t-il ?	Non (constante)	Oui (selon le lieu : Terre, Lune...)

Exemple — Poids d’un panneau de bois
Un panneau de bois a une masse $m = 25$ kg. Calculer son poids sur Terre ($g = 9{,}8$ N/kg).

$P = m \times g = 25 \times 9{,}8 = 245$ N.

5. Équilibre d’un solide soumis à deux forces

Conditions d’équilibre
Un solide soumis à deux forces est en équilibre si et seulement si ces deux forces :

ont la même droite d’action
sont de sens opposés
ont la même valeur (même intensité)

Exemple — Charge suspendue par un câble
Un sac de ciment de 25 kg est suspendu à un câble vertical, immobile. Il est soumis à deux forces :

Son poids $\vec{P}$ : vertical, vers le bas, $P = 25 \times 9{,}8 = 245$ N
La tension du câble $\vec{T}$ : verticale, vers le haut

À l’équilibre : $T = P = 245$ N. Les deux forces ont même droite d’action (verticale), des sens opposés et la même valeur.

Méthode — Vérifier l’équilibre

Identifier le système étudié et faire l’inventaire des forces
Vérifier qu’il y a exactement deux forces
Vérifier les trois conditions : même droite d’action, sens opposés, même valeur
Conclure : équilibre ou non

À retenir — L'essentiel du chapitre

Un mouvement se définit dans un référentiel
La trajectoire peut être rectiligne, circulaire ou quelconque
Un mouvement est uniforme si la vitesse est constante
Vitesse moyenne : $v = \dfrac{d}{t}$
Une force se caractérise par : point d'application, direction, sens et valeur (en N)
Le poids : $P = m \times g$ (vertical, vers le bas)
Équilibre sous deux forces : même droite d'action, sens opposés, même valeur

Application rapide
Un sac de ciment de 25 kg est suspendu immobile à un crochet. Calculez son poids et indiquez les caractéristiques de la force exercée par le crochet.

$P = 25 \times 9{,}8 = 245$ N vers le bas. Force du crochet : 245 N, verticale, vers le haut (équilibre).

Erreurs fréquentes à éviter

Confondre masse et poids : la masse (en kg) est une quantité de matière, constante partout. Le poids (en N) est une force qui dépend du lieu ($P = mg$).
Oublier de convertir les unités pour la vitesse : si la distance est en km et le temps en secondes, le résultat ne sera pas en km/h. Vérifier la cohérence avant de calculer.
Croire qu'un objet immobile n'est soumis à aucune force : un objet posé sur une table est soumis à deux forces (poids et réaction du sol) qui se compensent — il est en équilibre.
Oublier la droite d'action dans les conditions d'équilibre : deux forces de même valeur mais de directions différentes ne permettent pas l'équilibre.