Accélération et Variations de Vitesse | du Point | Sciences de l'Ingénieur

Introduction à la

ACCÉLÉRATION & VARIATIONS DE VITESSE
du Point et des Systèmes

Découvrez les concepts fondamentaux de la cinématique en Sciences de l'Ingénieur

Vitesse
Accélération
Mouvement

Définition de la vitesse

La vitesse en cinématique

DÉFINITION PHYSIQUE
Définition de la vitesse

En cinématique, la vitesse est une grandeur vectorielle qui caractérise la variation de position d'un point matériel au cours du temps. Elle indique à la fois la rapidité du mouvement et la direction du déplacement.

La vitesse moyenne est définie comme le rapport entre le déplacement et la durée du mouvement :

\( \vec{v}_{moy} = \frac{\Delta \vec{r}}{\Delta t} = \frac{\vec{r}_2 - \vec{r}_1}{t_2 - t_1} \)

Où :

  • \( \vec{v}_{moy} \) est la vitesse moyenne
  • \( \Delta \vec{r} \) est le vecteur déplacement
  • \( \Delta t \) est la durée du mouvement

Vitesse instantanée

Vitesse à un instant donné

DÉFINITION MATHÉMATIQUE
Vitesse instantanée

La vitesse instantanée est la limite de la vitesse moyenne lorsque l'intervalle de temps tend vers zéro :

\( \vec{v}(t) = \lim_{\Delta t \to 0} \frac{\Delta \vec{r}}{\Delta t} = \frac{d\vec{r}}{dt} \)

Elle correspond à la dérivée du vecteur position par rapport au temps.

INTERPRÉTATION GRAPHIQUE
Courbe position-temps

Sur une courbe de position en fonction du temps, la vitesse instantanée en un point est égale à la pente de la tangente à la courbe en ce point.

Plus la pente est raide, plus la vitesse est élevée.

Accélération

L'accélération en cinématique

DÉFINITION PHYSIQUE
Qu'est-ce que l'accélération ?

L'accélération est une grandeur vectorielle qui caractérise la variation de la vitesse d'un point matériel au cours du temps. Elle indique comment la vitesse change en intensité et/ou en direction.

L'accélération moyenne est définie comme le rapport entre la variation de vitesse et la durée :

\( \vec{a}_{moy} = \frac{\Delta \vec{v}}{\Delta t} = \frac{\vec{v}_2 - \vec{v}_1}{t_2 - t_1} \)
UNITE DE MESURE
Unité de mesure

Dans le système international (SI), l'accélération s'exprime en mètre par seconde au carré (m/s²).

1 m/s² signifie que la vitesse varie de 1 m/s chaque seconde.

L'accélération est la dérivée de la vitesse par rapport au temps !

Accélération instantanée

Accélération à un instant donné

DÉFINITION MATHÉMATIQUE
Accélération instantanée

L'accélération instantanée est la limite de l'accélération moyenne lorsque l'intervalle de temps tend vers zéro :

\( \vec{a}(t) = \lim_{\Delta t \to 0} \frac{\Delta \vec{v}}{\Delta t} = \frac{d\vec{v}}{dt} \)

Elle correspond donc à la dérivée du vecteur vitesse par rapport au temps.

RELATION AVEC LA POSITION
Dérivée seconde

Puisque la vitesse est la dérivée de la position par rapport au temps, l'accélération est la dérivée seconde de la position :

\( \vec{a}(t) = \frac{d^2\vec{r}}{dt^2} \)

Types d'accélération

Différents types d'accélération

ACCÉLÉRATION TANGENTIELLE
Accélération tangentielle

L'accélération tangentielle modifie la norme (intensité) de la vitesse. Elle est colinéaire au vecteur vitesse.

Son expression est : \( a_t = \frac{dv}{dt} \)

Elle est responsable de la variation de la rapidité du mouvement.

ACCÉLÉRATION NORMALE
Accélération normale

L'accélération normale modifie la direction du mouvement. Elle est perpendiculaire au vecteur vitesse.

Son expression est : \( a_n = \frac{v^2}{R} \)

Où R est le rayon de courbure de la trajectoire.

Mouvement rectiligne uniforme (MRU)

MRU : Vitesse constante

CARACTÉRISTIQUES
Situation

Un mouvement est dit rectiligne uniforme si :

  • La trajectoire est une droite
  • La vitesse est constante
  • L'accélération est nulle
Équations du mouvement
1 Position : \( x(t) = x_0 + v \cdot t \)
2 Vitesse : \( v(t) = v_0 = \text{constante} \)
3 Accélération : \( a(t) = 0 \)
REPRÉSENTATION GRAPHIQUE
Courbes typiques

- Courbe x(t) : droite de pente constante (vitesse)\n- Courbe v(t) : droite horizontale (vitesse constante)\n- Courbe a(t) : droite horizontale confondue avec l'axe (accélération nulle)

Mouvement rectiligne uniformément varié (MRUV)

MRUV : Accélération constante

CARACTÉRISTIQUES
Situation

Un mouvement est dit rectiligne uniformément varié si :

  • La trajectoire est une droite
  • L'accélération est constante
  • La vitesse varie linéairement avec le temps
Équations du mouvement
1 Position : \( x(t) = x_0 + v_0 \cdot t + \frac{1}{2} a \cdot t^2 \)
2 Vitesse : \( v(t) = v_0 + a \cdot t \)
3 Accélération : \( a(t) = a = \text{constante} \)
FORMULE DE TORRICELLI
Relation importante

Il existe une relation entre la vitesse finale, la vitesse initiale, l'accélération et le déplacement :

\( v^2 - v_0^2 = 2a(x - x_0) \)

Mouvement circulaire uniforme (MCU)

MCU : Vitesse angulaire constante

CARACTÉRISTIQUES
Qu'est-ce qu'un MCU ?

Un mouvement est dit circulaire uniforme si :

  • La trajectoire est un cercle
  • La valeur de la vitesse est constante
  • La vitesse change de direction
  • Il existe une accélération centripète
PARAMÈTRES ANGULAIRES
Grandeurs angulaires

- Vitesse angulaire : \( \omega = \frac{d\theta}{dt} \)
- Accélération angulaire : \( \alpha = \frac{d\omega}{dt} \)
- Période : \( T = \frac{2\pi}{\omega} \)
- Fréquence : \( f = \frac{1}{T} = \frac{\omega}{2\pi} \)

ACCÉLÉRATION CENTRIPÈTE
Accélération radiale

Dans un MCU, l'accélération est purement centripète :

\( a_c = \frac{v^2}{R} = \omega^2 R \)

Cette accélération est dirigée vers le centre du cercle.

Mouvement circulaire uniformément varié (MCUV)

MCUV : Accélération angulaire constante

CARACTÉRISTIQUES
Qu'est-ce qu'un MCUV ?

Un mouvement est dit circulaire uniformément varié si :

  • La trajectoire est un cercle
  • L'accélération angulaire est constante
  • La vitesse angulaire varie linéairement avec le temps
ÉQUATIONS DU MOUVEMENT
Formules du MCUV

- Angle : \( \theta(t) = \theta_0 + \omega_0 t + \frac{1}{2} \alpha t^2 \)
- Vitesse angulaire : \( \omega(t) = \omega_0 + \alpha t \)
- Accélération angulaire : \( \alpha = \text{constante} \)

COMPOSANTES DE L'ACCÉLÉRATION
Accélérations tangentielle et normale

- Accélération tangentielle : \( a_t = \alpha R \)
- Accélération normale : \( a_n = \omega^2 R \)
- Accélération totale : \( a = \sqrt{a_t^2 + a_n^2} \)

Exemple de MRU

Voiture en MRU

ÉNONCÉ
Problème

Une voiture roule en ligne droite à une vitesse constante de 60 km/h. Initialement, elle se trouve à 10 km du point d'origine.

1. Écrire les équations du mouvement
2. Calculer sa position après 2 heures
3. Tracer les graphes x(t), v(t) et a(t)

SOLUTION
Équations du mouvement

Données : \( v = 60 \) km/h, \( x_0 = 10 \) km

- Équation de la position : \( x(t) = 10 + 60t \) (en km, t en heures)
- Équation de la vitesse : \( v(t) = 60 \) km/h
- Équation de l'accélération : \( a(t) = 0 \) km/h²

Position après 2 heures

\( x(2) = 10 + 60 \times 2 = 10 + 120 = 130 \) km

Exemple de MRUV

Voiture en MRUV

ÉNONCÉ
Problème

Une voiture initialement immobile commence à accélérer à raison de 2 m/s². Calculer sa vitesse et sa position après 5 secondes.

SOLUTION
Données et équations

Données : \( v_0 = 0 \) m/s, \( a = 2 \) m/s², \( t = 5 \) s, \( x_0 = 0 \)

- Équation de la vitesse : \( v(t) = v_0 + at = 0 + 2 \times 5 = 10 \) m/s
- Équation de la position : \( x(t) = x_0 + v_0t + \frac{1}{2}at^2 = 0 + 0 + \frac{1}{2} \times 2 \times 25 = 25 \) m

Vérification avec Torricelli

Utilisons la formule de Torricelli : \( v^2 - v_0^2 = 2a(x - x_0) \)
\( 10^2 - 0^2 = 2 \times 2 \times (x - 0) \)
\( 100 = 4x \Rightarrow x = 25 \) m ✓

Exemple de MCU

Satellite en orbite

ÉNONCÉ
Problème

Un satellite tourne autour de la Terre sur une orbite circulaire de rayon 7000 km à une vitesse de 7,5 km/s. Calculer son accélération centripète.

SOLUTION
Calcul de l'accélération centripète

Données : \( v = 7,5 \) km/s = 7500 m/s, \( R = 7000 \) km = 7,000,000 m

Accélération centripète : \( a_c = \frac{v^2}{R} = \frac{(7500)^2}{7,000,000} = \frac{56,250,000}{7,000,000} = 8,036 \) m/s²

Autre méthode

On peut aussi utiliser : \( a_c = \omega^2 R \)
D'abord, trouvons \( \omega \) : \( v = \omega R \Rightarrow \omega = \frac{v}{R} = \frac{7500}{7,000,000} = 0,00107 \) rad/s
Puis : \( a_c = \omega^2 R = (0,00107)^2 \times 7,000,000 = 0,00000114 \times 7,000,000 = 8,036 \) m/s² ✓

Applications dans la vie quotidienne

Accélération dans notre environnement

TRANSPORTS
Exemples
  • Voiture : accélération positive en démarrant, négative en freinant
  • Train : accélération contrôlée pour le confort des passagers
  • Avion : accélération lors du décollage et de l'atterrissage
SPORTS
Sports mécaniques
  • Moto GP : accélérations et décélérations importantes
  • Formule 1 : accélération de 0 à 100 km/h en ~2,5s
  • Cyclisme : variations de vitesse selon le terrain
SYSTÈMES INDUSTRIELS
Applications industrielles
  • Convoyeurs : mouvements rectilignes avec phases d'accélération
  • Robots industriels : contrôle précis des accélérations
  • Tapis roulants : souvent en MRU pour une vitesse constante

Mesure de l'accélération

Capteurs d'accélération

ACCÉLÉROMÈTRE
Comment fonctionne-t-il ?

Un accéléromètre est un capteur qui mesure les forces d'inertie exercées sur une masse connue. Lorsqu'il subit une accélération, la masse interne se déplace proportionnellement à l'accélération.

Les accéléromètres sont utilisés dans :

  • Téléphones portables (écran automatique)
  • Véhicules (airbags, ABS)
  • Smartphones (jeux, navigation)
MÉTHODES DE MESURE
Techniques de mesure
  • Double dérivation de la position mesurée par GPS
  • Capteurs MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems)
  • Accéléromètres piézo-électriques
  • Calcul à partir de la vitesse mesurée à deux instants différents

Résumé

Points clés

DÉFINITIONS ESSENTIELLES
Vitesse
  • Vitesse moyenne : \( \vec{v}_{moy} = \frac{\Delta \vec{r}}{\Delta t} \)
  • Vitesse instantanée : \( \vec{v}(t) = \frac{d\vec{r}}{dt} \)
Accélération
  • Accélération moyenne : \( \vec{a}_{moy} = \frac{\Delta \vec{v}}{\Delta t} \)
  • Accélération instantanée : \( \vec{a}(t) = \frac{d\vec{v}}{dt} = \frac{d^2\vec{r}}{dt^2} \)
Types de mouvements
  • MRU : vitesse constante, accélération nulle
  • MRUV : accélération constante
  • MCU : vitesse constante, accélération centripète
  • MCUV : accélération angulaire constante
L'accélération est la cause des variations de vitesse !

Exercice d'application

Problème complet

ÉNONCÉ
Question

Une voiture initialement au repos accélère uniformément à 3 m/s² pendant 10 secondes, puis roule à vitesse constante pendant 20 secondes supplémentaires.

1. Calculer la vitesse atteinte après les 10 premières secondes
2. Calculer la distance parcourue pendant la phase d'accélération
3. Calculer la distance totale parcourue en 30 secondes

Solution de l'exercice

Correction détaillée

DONNÉES
Paramètres du problème
  • Phase 1 (accélération) : \( t_1 = 10 \) s, \( a = 3 \) m/s², \( v_0 = 0 \) m/s
  • Phase 2 (MRU) : \( t_2 = 20 \) s, \( v = \text{constante} \)
QUESTION 1
Vitesse après 10 secondes

\( v = v_0 + at = 0 + 3 \times 10 = 30 \) m/s

QUESTION 2
Distance pendant la phase d'accélération

\( x = x_0 + v_0t + \frac{1}{2}at^2 = 0 + 0 + \frac{1}{2} \times 3 \times 10^2 = \frac{1}{2} \times 3 \times 100 = 150 \) m

QUESTION 3
Distance totale en 30 secondes

Phase 1 : 150 m (calculé ci-dessus)
Phase 2 : MRU à 30 m/s pendant 20 s
\( x_2 = v \times t = 30 \times 20 = 600 \) m
Distance totale : \( x_{total} = 150 + 600 = 750 \) m

Conclusion

Félicitations !

FÉLICITATIONS !
MAÎTRISE DE L'ACCÉLÉRATION
Vous comprenez maintenant les notions d'accélération et de variations de vitesse !

Continuez à pratiquer pour renforcer vos compétences en cinématique

Compris
Retenu
Appliqué