Identifier le système étudié et choisir un référentiel (rappel de Première).
Lire les coordonnées d'un point et caractériser un vecteur par sa direction, son sens et sa norme.
Construire une différence de vecteurs en les reportant à une même origine.
Objectifs du chapitre :
Repérer un point mobile par son vecteur position dans un repère
Définir le vecteur vitesse comme dérivée de la position et le vecteur accélération comme dérivée de la vitesse
Calculer les coordonnées de ces vecteurs, par dérivation ou par une approche discrète (chronophotographie)
Exprimer la vitesse et l’accélération dans le repère de Frenet pour un mouvement circulaire.
Représenter les vecteurs vitesse et accélération avec un programme Python.
Caractériser l'accélération pour les mouvements rectiligne uniforme, rectiligne uniformément varié et circulaire uniforme (accélération centripète)
Situation. Une caméra rapide filme un ballon lancé sur un terrain, ou le wagon d'un grand huit dans une boucle. Sur les images superposées, le mobile occupe des positions successives régulièrement espacées dans le temps : c'est une chronophotographie. Pour un ingénieur qui conçoit un manège, un système anti-collision de voiture ou la trajectoire d'un drone, décrire le mouvement ne suffit pas avec les mots « il va vite » ou « il ralentit » : il faut des grandeurs vectorielles précises. Où est le mobile ? Dans quelle direction et à quelle vitesse se déplace-t-il ? Comment cette vitesse change-t-elle ? Ce chapitre construit les trois outils qui répondent à ces questions : les vecteurs position, vitesse et accélération.
1. Repérer un point : référentiel, repère et vecteur position
Décrire un mouvement n'a de sens que par rapport à un observateur. Un passager assis dans un train est immobile pour son voisin, mais en mouvement pour une personne restée sur le quai. On choisit donc d'abord un référentiel : un solide de référence (le sol, le train, la Terre…) auquel on attache une horloge. Dans ce référentiel, on installe un repère d'espace : une origine \(O\) et des axes orientés \((Ox, Oy, Oz)\) orthonormés et fixes dans ce référentiel, munis des vecteurs unitaires \(\vec{i}\), \(\vec{j}\), \(\vec{k}\). La plupart des mouvements de ce chapitre sont plans, on travaille alors dans le repère \((O\,;\,\vec{i},\vec{j})\).
Définition — vecteur position
À chaque instant \(t\), la position d'un point mobile \(M\) est repérée par le vecteur position \(\overrightarrow{OM}(t)\), qui va de l'origine \(O\) du repère jusqu'au point \(M\). En coordonnées cartésiennes dans le plan :
Les fonctions \(x(t)\) et \(y(t)\) sont les équations horaires du mouvement. La longueur \(OM=\sqrt{x^2+y^2}\) est la distance du mobile à l'origine (en mètres).
On modélise le système par un point matériel, ou on suit un point précis de l’objet. La distance à l’origine n’est pas la distance parcourue le long de la trajectoire.
Quand le temps s'écoule, l'extrémité du vecteur position se déplace et décrit une courbe : c'est la trajectoire du point. Choisir un bon repère (origine et axes bien placés) simplifie souvent l'écriture des équations horaires.
Le vecteur position part de O et arrive en M. Ses coordonnées sont \(x_M\) et \(y_M\).
Mini-exercice 1. Un drone a pour équations horaires \(x(t)=2{,}0\,t\) et \(y(t)=1{,}0+0{,}5\,t^2\) (en mètres, \(t\) en secondes). Donner le vecteur position à \(t=2{,}0\) s et calculer la distance \(OM\) à cet instant.
\(x(2{,}0)=2{,}0\times2{,}0=4{,}0\) m ; \(y(2{,}0)=1{,}0+0{,}5\times2{,}0^2=1{,}0+2{,}0=3{,}0\) m. Donc \(\overrightarrow{OM}\begin{pmatrix}4{,}0\\ 3{,}0\end{pmatrix}\). La distance vaut \(OM=\sqrt{4{,}0^2+3{,}0^2}=\sqrt{16+9}=\sqrt{25}=5{,}0\) m.
2. Le vecteur vitesse : dérivée du vecteur position
Entre deux instants \(t\) et \(t+\Delta t\), le mobile passe de \(M(t)\) à \(M(t+\Delta t)\). Le déplacement est le vecteur \(\overrightarrow{M(t)M(t+\Delta t)}\). En le divisant par la durée \(\Delta t\), on obtient un vecteur vitesse moyenne. Si l'on fait tendre \(\Delta t\) vers zéro, cette vitesse moyenne tend vers la vitesse à l'instant \(t\) : c'est la dérivée du vecteur position par rapport au temps.
Définition — vecteur vitesse
Le vecteur vitesse du point \(M\) à l'instant \(t\) est la dérivée du vecteur position par rapport au temps :
La vitesse s'exprime en mètres par seconde (m·s⁻¹). Sa valeur (ou norme) est \(v=\sqrt{v_x^{\,2}+v_y^{\,2}}\).
Direction du vecteur vitesse
Lorsque sa norme est non nulle, le vecteur vitesse est tangent à la trajectoire et orienté dans le sens du mouvement. Il indique donc la direction que « prend » le mobile à cet instant précis.
On reporte en \(M_i\) un vecteur parallèle à la corde \(M_{i-1}M_{i+1}\). Il approche le vecteur vitesse tangent à la trajectoire ; ici, les directions coïncident par symétrie.
Méthode — dériver avant de remplacer le temps
On dérive chaque coordonnée séparément : une constante donne 0 ; \(bt\) donne \(b\) ; \(ct^2\) donne \(2ct\). On remplace ensuite \(t\) par l’instant demandé, puis on calcule la norme.
Exemple : pour \(x(t)=2t\) et \(y(t)=1+0{,}5t^2\), on obtient \(v_x=2\) et \(v_y=t\) (unités SI). À \(t=2\) s : \(v=\sqrt{2^2+2^2}=\sqrt8\approx2{,}8\) m·s⁻¹.
Coordonnée et norme : \(v_x\) peut être négatif ; la vitesse \(v\) est toujours positive ou nulle. Sur un axe, \(v=|v_x|\).
Approche discrète : calculer la vitesse à partir de points
Quand on ne dispose pas des fonctions \(x(t)\) et \(y(t)\) mais seulement de positions relevées (chronophotographie, tableau de mesures), on ne peut pas dériver exactement. On approche alors la dérivée. Si les positions \(M_{i-1}\), \(M_i\), \(M_{i+1}\) sont relevées à intervalles de temps égaux \(\tau\), la vitesse au point \(M_i\) est estimée par :
soit, en coordonnées : \(\;v_{x,i}\approx\dfrac{x_{i+1}-x_{i-1}}{2\tau}\;\) et \(\;v_{y,i}\approx\dfrac{y_{i+1}-y_{i-1}}{2\tau}\). On utilise le point précédent et le point suivant (encadrement) pour estimer la vitesse à l’instant central. Pour un mouvement suffisamment régulier et des données peu bruitées, cette estimation est généralement plus précise qu’une différence avant. La corde fournit une direction approchée de la tangente.
Exemple travaillé. Une bille roule et laisse ces relevés (\(\tau=0{,}040\) s entre deux images) :
Point
\(x\) (m)
\(y\) (m)
\(M_1\)
0,000
0,000
\(M_2\)
0,080
0,030
\(M_3\)
0,160
0,050
On calcule la vitesse en \(M_2\) (point encadré par \(M_1\) et \(M_3\)) :
\(v_{x,2}=\dfrac{x_3-x_1}{2\tau}=\dfrac{0{,}160-0{,}000}{2\times0{,}040}=\dfrac{0{,}160}{0{,}080}=2{,}0\) m·s⁻¹ ;
\(v_{y,2}=\dfrac{y_3-y_1}{2\tau}=\dfrac{0{,}050-0{,}000}{0{,}080}=0{,}625\approx0{,}63\) m·s⁻¹.
Valeur de la vitesse : \(v_2\approx\sqrt{2{,}0^2+0{,}625^2}\approx2{,}1\) m·s⁻¹.
Mini-exercice 2. Un mobile se déplace en ligne droite sur l'axe \((Ox)\). On relève, avec \(\tau=0{,}10\) s : \(x_1=1{,}0\) m et \(x_3=3{,}4\) m. Estimer la vitesse au point \(M_2\).
Mouvement sur un seul axe : \(v_{y}=0\). \(v(M_2)\approx\dfrac{x_3-x_1}{2\tau}=\dfrac{3{,}4-1{,}0}{2\times0{,}10}=\dfrac{2{,}4}{0{,}20}=12\) m·s⁻¹.
Mini-exercice 3. Un point a pour équations horaires \(x(t)=3{,}0\,t\) et \(y(t)=4{,}0\,t\) (unités SI). Déterminer par dérivation les coordonnées du vecteur vitesse et sa valeur. Que dire de ce mouvement ?
\(v_x=\dfrac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t}=3{,}0\) m·s⁻¹ et \(v_y=\dfrac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}t}=4{,}0\) m·s⁻¹ : ces valeurs sont constantes. La norme vaut \(v=\sqrt{3{,}0^2+4{,}0^2}=5{,}0\) m·s⁻¹. Le vecteur vitesse est constant (direction et valeur) : le mouvement est rectiligne uniforme.
3. Le vecteur accélération : dérivée du vecteur vitesse
Le vecteur vitesse peut varier de deux façons : sa valeur peut changer (le mobile accélère ou ralentit) et/ou sa direction peut changer (le mobile tourne). Une grandeur unique décrit ces deux variations : le vecteur accélération, qui mesure comment le vecteur vitesse évolue dans le temps.
Définition — vecteur accélération
Le vecteur accélération du point \(M\) à l'instant \(t\) est la dérivée du vecteur vitesse par rapport au temps (donc la dérivée seconde de la position) :
On calcule d’abord les vecteurs vitesse aux points voisins, puis leur variation. De même, \(a_{y,i}\approx(v_{y,i+1}-v_{y,i-1})/(2\tau)\). Si les vitesses sont elles-mêmes estimées par encadrement, il faut les cinq positions de \(M_{i-2}\) à \(M_{i+2}\).
À origine commune, \(\Delta\vec v\) va de l’extrémité de \(\vec v_{i-1}\) à celle de \(\vec v_{i+1}\). L’accélération estimée en \(M_i\) a le même sens et la même direction, avec une échelle distincte.
Méthode — construire une variation de vitesse
Reporter les deux vecteurs vitesse à la même origine, sans changer leurs directions, sens ni longueurs.
Tracer \(\Delta\vec v\) de l’extrémité de la vitesse ancienne à celle de la vitesse nouvelle.
Diviser ses coordonnées par la durée entre les deux vitesses, puis représenter \(\vec a_i\) à partir de \(M_i\), avec une échelle d’accélération distincte.
Exemple : pour \(\tau=0{,}10\) s, \(\vec v_{i-1}=(2\,;\,1)\) et \(\vec v_{i+1}=(2\,;\,-1)\) en m·s⁻¹, on a \(\Delta\vec v=(0\,;\,-2)\) m·s⁻¹ et \(\vec a_i\approx(0\,;\,-10)\) m·s⁻².
Mini-exercice 4. Un point a pour équations horaires \(x(t)=5{,}0\,t\) et \(y(t)=20\,t-5{,}0\,t^2\) (unités SI, modèle d'un projectile). Déterminer les coordonnées de \(\vec{v}\) puis de \(\vec{a}\). Le vecteur accélération dépend-il du temps ?
Vitesse : \(v_x=\dfrac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t}=5{,}0\) m·s⁻¹ ; \(v_y=\dfrac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}t}=20-10\,t\) m·s⁻¹. Accélération : \(a_x=\dfrac{\mathrm{d}v_x}{\mathrm{d}t}=0\) ; \(a_y=\dfrac{\mathrm{d}v_y}{\mathrm{d}t}=-10\) m·s⁻². Le vecteur \(\vec{a}\begin{pmatrix}0\\ -10\end{pmatrix}\) est constant (il ne dépend pas de \(t\)) : il est vertical, dirigé vers le bas — c'est l'accélération de la pesanteur.
4. Caractériser l'accélération selon le mouvement
Le vecteur accélération renseigne directement sur la nature du mouvement. Pour un mouvement rectiligne sur \((Ox)\), \(\vec v=v_x\vec i\) et \(\vec a=(\mathrm{d}v_x/\mathrm{d}t)\vec i\) : l’accélération est portée par la droite du mouvement lorsqu’elle est non nulle. Elle n’est pas nécessairement constante. Examinons ensuite les cas particuliers.
a) Mouvement rectiligne uniforme
Définition
La trajectoire est une droite (rectiligne) et la valeur de la vitesse est constante (uniforme). Le vecteur vitesse ne change ni de direction ni de valeur : il est constant.
Accélération
Puisque \(\vec{v}\) est constant, sa dérivée est nulle : \(\vec{a}=\vec{0}\). Un mouvement rectiligne uniforme est un mouvement à accélération nulle.
b) Mouvement rectiligne uniformément varié
Définition
La trajectoire est une droite et le vecteur accélération est constant. Sur un axe orienté, \(v_x(t)=v_x(0)+a_xt\). Tant que le mobile ne change pas de sens, la valeur de la vitesse augmente ou diminue d’une même quantité pendant des durées égales.
Accélération
Le vecteur accélération est constant et colinéaire à la trajectoire (donc à \(\vec{v}\)) :
si \(\vec{a}\) a le même sens que \(\vec{v}\) : le mouvement est accéléré ;
si \(\vec{a}\) est de sens opposé à \(\vec{v}\) : le mouvement est retardé (freinage).
Exemple. Une voiture démarre en ligne droite, avec une accélération supposée constante, et passe de \(0\) à \(100\) km·h⁻¹ en \(8{,}0\) s. On convertit : \(100\) km·h⁻¹ \(=\dfrac{100}{3{,}6}\approx27{,}8\) m·s⁻¹. La valeur de l'accélération vaut \(a=\dfrac{\Delta v}{\Delta t}=\dfrac{27{,}8-0}{8{,}0}\approx3{,}5\) m·s⁻². Le vecteur \(\vec{a}\) est dirigé vers l'avant (même sens que \(\vec{v}\)) : le mouvement est accéléré.
Une accélération négative ne signifie pas toujours un freinage
Si \(v_x=-4\) m·s⁻¹ et \(a_x=-2\) m·s⁻², les deux vecteurs ont le même sens : le mobile va de plus en plus vite vers les abscisses décroissantes. Si \(v_x=+4\) m·s⁻¹ avec la même accélération, il ralentit. Il faut comparer les deux signes.
Un vecteur accélération constant ne suffit pas à prouver que le mouvement est rectiligne : le projectile du mini-exercice 4 en est un contre-exemple.
c) Mouvement circulaire uniforme
C'est le cas le plus subtil : la valeur de la vitesse est constante, et pourtant l'accélération n'est pas nulle. En effet, sur un cercle, la direction du vecteur vitesse change en permanence. Or l'accélération traduit toute variation du vecteur vitesse — y compris un simple changement de direction.
Définition
La trajectoire est un cercle (de rayon \(R\)) et la valeur de la vitesse est constante. Le vecteur vitesse reste tangent au cercle ; seule sa direction tourne. On note souvent \(T\) la période (durée d'un tour). La valeur de la vitesse vaut alors \(v=\dfrac{2\pi R}{T}\).
Accélération centripète
Le vecteur accélération est perpendiculaire à la vitesse et dirigé vers le centre du cercle : on dit qu'il est centripète. Sa valeur est constante et vaut :
\(a=\dfrac{v^2}{R}\)
où \(v\) est la valeur de la vitesse et \(R\) le rayon de la trajectoire. Comme sa direction (vers le centre) tourne avec le mobile, le vecteur \(\vec{a}\) n'est pas constant, mais sa valeur l'est.
Bleu : vitesse ; rouge : accélération. Sur chaque droite, les points correspondent à des durées égales. Les échelles sont propres à chaque schéma.
Exemple travaillé — un manège. Une nacelle décrit un cercle de rayon \(R=4{,}0\) m et fait un tour en \(T=6{,}0\) s à vitesse constante.
Valeur de la vitesse : \(v=\dfrac{2\pi R}{T}=\dfrac{2\pi\times4{,}0}{6{,}0}=\dfrac{25{,}1}{6{,}0}\approx4{,}2\) m·s⁻¹.
Valeur de l'accélération : \(a=\dfrac{v^2}{R}=\dfrac{4\pi^2R}{T^2}=\dfrac{4\pi^2\times4{,}0}{6{,}0^2}\approx4{,}4\) m·s⁻². Ce vecteur pointe en permanence vers le centre du manège : c'est lui qui « courbe » la trajectoire. La valeur de la vitesse, elle, ne change pas.
Mini-exercice 5. Dans le référentiel géocentrique, un satellite décrit une orbite circulaire autour de la Terre à la vitesse constante \(v=7{,}5\) km·s⁻¹ sur un cercle de rayon \(R=6{,}9\times10^{3}\) km. Calculer la valeur de son accélération et préciser sa direction.
On convertit en unités SI : \(v=7{,}5\times10^{3}\) m·s⁻¹ et \(R=6{,}9\times10^{6}\) m. \(a=\dfrac{v^2}{R}=\dfrac{(7{,}5\times10^{3})^2}{6{,}9\times10^{6}}=\dfrac{5{,}625\times10^{7}}{6{,}9\times10^{6}}\approx8{,}1\) m·s⁻². Le vecteur accélération est centripète : dirigé vers le centre de la Terre (le centre de l'orbite). La vitesse est constante en valeur : le mouvement est uniforme avec une accélération non nulle. On réserve ici « mouvement accéléré » à une augmentation de la valeur de la vitesse.
Mini-exercice 6. Sur une chronophotographie d'un mobile en ligne droite, les intervalles entre points successifs sont de plus en plus courts (temps entre images constant). Le mouvement est-il accéléré ou retardé ? Dans quel sens pointe le vecteur accélération ?
Intervalles de plus en plus courts pour un même \(\tau\) → la distance parcourue par intervalle diminue → la vitesse diminue : le mouvement est retardé (freinage). Le vecteur accélération est colinéaire à la trajectoire mais de sens opposé au vecteur vitesse.
d) Mouvement circulaire à vitesse variable : le repère de Frenet
Au point \(M\), on utilise deux vecteurs unitaires perpendiculaires : \(\vec u_t\), tangent au cercle et orienté dans le sens du mouvement, et \(\vec u_n\), dirigé vers le centre. Ce repère accompagne le mobile : ses vecteurs changent de direction au cours du mouvement.
La composante tangentielle \(a_t\) décrit la variation de la valeur de la vitesse : positive si le mobile accélère, négative s’il ralentit.
La composante normale \(a_n=v^2/R\) décrit le changement de direction. Elle est dirigée vers le centre.
La norme est \(a=\sqrt{a_t^2+a_n^2}\). Dans le cas uniforme, \(a_t=0\) : l’accélération est uniquement centripète et \(a=v^2/R\).
Exemple où la vitesse augmente : \(\vec a=a_t\vec u_t+a_n\vec u_n\). À droite, les deux directions unitaires sont représentées séparément, à la même échelle. Les composantes de l’accélération (rouge) ont une autre échelle.
Exemple — ralentir dans un virage. À un instant donné, un mobile suit un cercle de rayon \(R=20\) m, à \(v=10\) m·s⁻¹, et sa vitesse diminue de 2 m·s⁻¹ par seconde.
\(a_t=-2\) m·s⁻² et \(a_n=10^2/20=5\) m·s⁻². Ainsi, \(\vec a=-2\vec u_t+5\vec u_n\) en m·s⁻² et \(a=\sqrt{(-2)^2+5^2}=\sqrt{29}\approx5{,}4\) m·s⁻². Le vecteur accélération pointe vers l’intérieur du virage et vers l’arrière du mouvement ; il ne pointe pas exactement vers le centre.
Application — repère de Frenet. Un mobile suit un cercle de rayon \(R=8\) m. À l’instant étudié, \(v=4\) m·s⁻¹ et \(\mathrm{d}v/\mathrm{d}t=1{,}5\) m·s⁻². Calculer les deux composantes de l’accélération, puis sa norme.
\(a_t=1{,}5\) m·s⁻² ; \(a_n=4^2/8=2\) m·s⁻². Donc \(a=\sqrt{1{,}5^2+2^2}=2{,}5\) m·s⁻². La composante tangentielle est dans le sens du mouvement ; la composante normale est dirigée vers le centre.
5. Étudier une chronophotographie (capacité numérique)
En pratique, on obtient les positions successives d'un mobile à partir d'une vidéo pointée image par image. Un tableau donne, pour chaque point, l'instant \(t_i\), l'abscisse \(x_i\) et l'ordonnée \(y_i\). On peut alors représenter les vecteurs vitesse et accélération directement sur la chronophotographie à l'aide d'un programme en Python : pour chaque point encadré, on applique les formules centrées, puis on trace une flèche partant du point.
Cinq vitesses (\(M_1\) à \(M_5\)) et trois accélérations (\(M_2\) à \(M_4\)) : l’accélération demande deux vitesses voisines, donc cinq positions, et reste incalculable en \(M_1\) et \(M_5\). Au sommet, la vitesse reste horizontale et non nulle. Les trois accélérations sont identiques et dirigées vers le bas. Les deux types de vecteurs ont des échelles distinctes.
Méthode — du pointage aux vecteurs
Choisir un point de l’objet, un référentiel et un repère. Étalonner les distances avec une longueur connue ; relever la durée entre images et orienter l’axe vertical vers le haut.
Exprimer les temps en secondes et les positions en mètres. Vérifier que les instants sont régulièrement espacés.
Calculer les vitesses aux indices 1 à \(N-2\), puis les accélérations aux indices 2 à \(N-3\). Les indices commencent à 0 en Python.
Tracer chaque flèche à la position correspondante. Conserver une même échelle pour toutes les vitesses et une autre pour toutes les accélérations.
La dérivation amplifie les erreurs de pointage : des accélérations estimées fluctuantes ne prouvent pas à elles seules que l’accélération réelle varie.
Ce programme complet utilise sept positions simulées à intervalles de 0,10 s. Il trace cinq vitesses et trois accélérations. Les valeurs non calculables aux extrémités restent indéfinies (np.nan), et ne sont pas remplacées par zéro.
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
t = np.array([0., .1, .2, .3, .4, .5, .6]) # s
x = np.array([0., .2, .4, .6, .8, 1., 1.2]) # m
y = np.array([0., .25, .40, .45, .40, .25, 0.]) # m
vx = np.full(len(t), np.nan)
vy = np.full(len(t), np.nan)
ax = np.full(len(t), np.nan)
ay = np.full(len(t), np.nan)
for i in range(1, len(t) - 1):
dt = t[i+1] - t[i-1]
vx[i] = (x[i+1] - x[i-1]) / dt
vy[i] = (y[i+1] - y[i-1]) / dt
for i in range(2, len(t) - 2):
dt = t[i+1] - t[i-1]
ax[i] = (vx[i+1] - vx[i-1]) / dt
ay[i] = (vy[i+1] - vy[i-1]) / dt
fig, graph = plt.subplots()
graph.scatter(x, y, color="black")
# Longueurs sur le graphe : 0,08 m par m/s ;
# 0,015 m par m/s². Ce sont deux échelles distinctes.
V = graph.quiver(x[1:-1], y[1:-1], vx[1:-1], vy[1:-1],
angles="xy", scale_units="xy", scale=1/0.08,
color="blue", pivot="tail")
A = graph.quiver(x[2:-2], y[2:-2], ax[2:-2], ay[2:-2],
angles="xy", scale_units="xy", scale=1/0.015,
color="red", pivot="tail")
graph.quiverkey(V, .20, 1.10, 2, "2 m/s", labelpos="E")
graph.quiverkey(A, .65, 1.10, 10, "10 m/s²", labelpos="E")
graph.set(xlabel="x (m)", ylabel="y (m)",
xlim=(-.1, 1.4), ylim=(-.15, .65))
graph.set_aspect("equal")
graph.grid()
fig.tight_layout()
plt.show()
Contrôle du résultat : \(v_x=2\) m·s⁻¹ aux cinq points intérieurs ; aux trois points où l’accélération est calculable, \(a_x=0\) et \(a_y=-10\) m·s⁻². Au sommet, \(v_y=0\) mais \(v_x\neq0\) : le mobile ne s’arrête pas.
Mini-exercice 7. Dans le programme ci-dessus, pourquoi la boucle de calcul des vitesses commence-t-elle à i = 1 et s'arrête-t-elle à len(t) - 2 plutôt que de parcourir tous les points ?
La méthode centrée utilise le point précédent (i-1) et le point suivant (i+1). Pour le premier point (i = 0) il n'existe pas de point précédent, et pour le dernier il n'existe pas de point suivant : on ne peut donc pas y calculer la vitesse par encadrement. La boucle exclut ces deux extrémités.
6. Applications
Où sert cette description vectorielle du mouvement ?
Sécurité routière : les systèmes anti-collision estiment en temps réel la vitesse et l'accélération des véhicules alentour à partir de positions mesurées au radar, à l’aide de traitements adaptés aux capteurs.
Aérospatial : la mise en orbite d'un satellite repose sur le fait qu'un mouvement circulaire uniforme exige une accélération centripète \(a=v^2/R\), fournie ici par la gravitation.
Manèges et sport : à vitesse donnée, un virage plus serré exige une accélération normale plus grande. Les sensations ressenties dépendent aussi du poids et des forces de contact du siège.
Analyse vidéo du geste sportif : pointer image par image la trajectoire d'un ballon ou d'un athlète permet de reconstruire vitesse et accélération pour optimiser la performance.
Erreurs fréquentes
❌ Croire qu'un mouvement à vitesse constante en valeur a une accélération nulle → ✅ dans un mouvement circulaire uniforme, la direction de \(\vec{v}\) change, donc \(\vec{a}\neq\vec{0}\) (elle est centripète).
❌ Confondre vitesse et accélération : « il accélère parce qu'il va vite » → ✅ l'accélération mesure la variation du vecteur vitesse, pas sa valeur.
❌ Dans un mouvement circulaire uniforme, dessiner l’accélération vers l’extérieur → ✅ elle pointe vers le centre. Si la vitesse varie, une composante tangentielle s’ajoute.
❌ Diviser par \(\tau\) un déplacement couvrant deux intervalles → ✅ entre \(M_{i-1}\) et \(M_{i+1}\), la durée est \(2\tau\). Deux positions consécutives donnent une vitesse moyenne sur leur intervalle, pas exactement la vitesse à une extrémité.
❌ Oublier de convertir les unités (km·h⁻¹ → m·s⁻¹, km → m) avant d'appliquer \(a=v^2/R\) → ✅ toujours travailler en unités SI.
À retenir
Vecteur position \(\overrightarrow{OM}\begin{pmatrix}x(t)\\ y(t)\end{pmatrix}\) : repère le mobile dans un repère lié à un référentiel.
Vecteur vitesse \(\vec{v}=\dfrac{\mathrm{d}\overrightarrow{OM}}{\mathrm{d}t}\) (m·s⁻¹) : \(v_x=x^{\prime}(t)\), \(v_y=y^{\prime}(t)\). Il est tangent à la trajectoire.