Les six degrés de liberté dans un espace à trois dimensions : trois de translation et trois de rotation. Par convention, les translations sont positives dans les directionsDroite,Avant, etHaut (axes Ox, Oy et Oz). Chacun des motsTangage (rotation autour de Ox),Roulis (autour de Oy) etLacet (autour de Oz) a été placé près de la flèche indiquant le sens de rotation positif (trièdre direct Oxyz). Ces trois derniers termes sont notamment employés enaéronautique.
Enphysique, lacinématique (du greckinêma, le mouvement) est l'étude des mouvements indépendamment des causes qui les produisent, ou, plus exactement, l'étude de tous les mouvements possibles. À côté de la notion d'espace qui est l'objet de lagéométrie, la cinématique introduit la notion detemps. Elle se distingue de lacinétique, un terme plus général qui concerne la vitesse et les mécanismes d'une grande variété de processus ; enmécanique,cinétique est utilisé comme adjectif pour qualifier deux grandeurs impliquant aussi la masse : lemoment cinétique et l'énergie cinétique.
Toute figure mobile peut être regardée comme un système de points mobiles, il est alors naturel de commencer par l'étude du mouvement du point mobile isolé.
Il faut d'abord définir unréférentiel, c'est-à-dire un repère de l’espace et une référence pour le temps, une horloge[2] ; on utilise en général le référentiel lié au laboratoire, par exemple dont les axes suivent les arêtes des murs de la pièce, ou bien celles de la table, ou encore les directions géographiques Nord-Sud, Est-Ouest et haut-bas (si le laboratoire est immobile par rapport au sol). L'objet de base est lepoint, sans dimension. Dans unrepère cartésien, un point M est défini par ses coordonnées(x,y,z,t) et notéM(x,y,z,t).
Un objet réel est un volume, constitué d'une infinité de points. Lacinématique du point consiste donc à étudier un point particulier d'un solide. On choisit des points caractéristiques, dont l'étude est simple et/ou donne des renseignements pertinents ; ce sont typiquement lecentre de gravité du solide, qui joue un rôle important endynamique, ou bien le point de contact du solide avec un autre. Si le solide est de petite dimension par rapport à son déplacement, et que l'on ne s'intéresse pas à sa rotation propre dans le référentiel, alors on peut se contenter de cette étude du point ; c'est le cas par exemple de la révolution des planètes dans leSystème solaire.
Les coordonnées définissent levecteur position, qui dépend ainsi de la position et du temps[3].
Levecteur obtenu endérivant les coordonnées par rapport au temps définit levecteurvitesse. Le vecteur vitesse est indépendant du choix du point origine[3] :
.
Le vecteur obtenu en dérivant les composantes du vecteur vitesse par rapport au temps définit levecteuraccélération :
.
Le vecteur obtenu en dérivant les composantes du vecteur accélération par rapport au temps définit levecteur d'à-coup :
.
Lamécanique du point permet de prévoir la position en fonction du temps, à partir de la vitesse initiale et desforces.
L'équation horaire du mouvement
correspond à l’équation paramétrique d'une courbe ; on peut souvent réduire ceci à un système de trois équations cartésiennes
qui, dans le cas le plus simple, sont du type linéaire :
Définition de l'abscisse curviligne.
Cette courbe est l’ensemble des points par où passe le centre d'inertie du mobile. On définit alors l'abscisse curviligne, notées, la distance parcourue sur la courbe par rapport à un point de référence (la position du centre d'inertie du mobile àt = 0). Pour un petit déplacement deM(x,y,z,t) àM(x+dx,y+dy,z+dz,t+dt), l'abscisse curviligne est assimilable à un segment, d'où :
On a donc :
La notion commune de vitesse est en fait la dérivée de l'abscisse curviligne. On parle souvent de « vitesse scalaire »[4] :
Il est souvent important de prendre en compte la rotation du solide. Le premier modèle est celui du solide indéformable : si l'on considère deux points M1 et M2 quelconques du solide, alors la distance entre M1 et M2 reste constante au cours du temps.
On peut étudier la trajectoire de chaque point du solide, mais on peut aussi définir le mouvement du solide de manière globale. Pour cela, on attache un repère au solide : O1,x1,y1,z1 ; l'origine O1 est un point présentant un intérêt particulier, comme le centre de gravité, le centre d'un pivot (centre du cylindre d'un perçage), un sommet. La position du solide est alors définie par six paramètres :
les coordonnées de O1 dans le repère du référentiel ;
Unfluide —liquide ougaz — est constitué de nombreuses particules microscopiques, desmolécules. Ces particules ont un mouvement chaotique, dit « mouvement brownien ». À ce mouvement se superpose un mouvement d'ensemble, le courant. Il serait illusoire de vouloir étudier chaque particule, on utilise donc une description statistique du mouvement.
Le mouvement d'un solide est en général caractérisé par deux termes : son type et sa nature. Le type de mouvement indique la manière dont la position évolue. Les termes typiquement employés sont :
mouvement quelconque ;
mouvement plan : les trajectoires des points sont planes, les plans sont tous parallèles (voir ci-dessous),
mouvement de translation : les trajectoires de tous les points du solide sont des segments courbes identiques, parallèles entre eux, le solide garde la même orientation au cours du mouvement,
mouvement de translation circulaire (schéma b ci-contre) : c'est le cas du balai d'essuie-glace d'autocar, et de manière générale le mouvement obtenu avec unparallélogramme déformable ; les trajectoires sont des arcs de cercle qui ont même rayon, même longueur (ouverture angulaire), mais projetés sur un plan, ils ont des centres différents,
mouvement de translation rectiligne de direction (Δ) : les trajectoires de tous les points du solide sont des segments de droite parallèles à la droite (Δ),
mouvement de rotation d'axe (Δ) : les trajectoires de tous les points du solide sont des arcs de cercle dont le plan est perpendiculaire à la droite (Δ), et dont le centre est sur la droite (Δ) ; projetés sur un plan, les arcs de cercle sont concentriques.
La nature du mouvement donne une indication sur l'évolution de la vitesse :
mouvement uniforme : la norme des vecteurs vitesse est constante ; cela ne peut être valable que pour une durée définie, puisqu'un mouvement a toujours une phase de démarrage et d'arrêt ;
mouvement varié : la norme des vecteurs vitesse varie ;
mouvement uniformément varié : la norme des vecteurs vitesse varie de manière linéaire avec le temps ; cela ne peut être valable que pour une durée définie, puisque la norme finit par croître de manière infinie ; cette situation est une approximation des phases de démarrage et d'arrêt des machines.
On a ainsi quatre mouvements solides simples.
Mouvements solides simples
Type
Nature
Translation rectiligne
Rotation
Uniforme
Translation rectiligne uniforme
Rotation uniforme
Uniformément varié
Translation rectiligne uniformément variée
Rotation uniformément variée
En cinématique du point, on ne parle pas de mouvement de rotation, mais de mouvement circulaire.
Si l'on considère maintenant la trajectoire d'un point donné, on la caractérise par un « élément géométrique caractéristique », c'est-à-dire la courbe mathématique qu'il suit, si tant est qu'on puisse la définir de manière simple. Typiquement, c'est un « arc de cercle de centre A », un « segment de droite de direction », ou une courbe plus complexe (ellipse, parabole, hyperbole).
Le moteur est un mécanisme modélisable par un mécanisme plan : l'axe de rotation duvilebrequin (en rouge) est perpendiculaire à l'axe de translation des pistonsModélisation plane du système moteur vilebrequin (2)-bielle (3)-piston (4)Définition du repère de Frenet
Considérons un planP, muni d'un repère(O,x,y). On s'intéresse à ladistance de chaque point du solide par rapport à ce plan. Si, au cours du mouvement, cette distance reste constante pour chacun des points du solide, alors on dit que le solide a unmouvement plan[5]. Ce plan peut être horizontal, vertical ou bien incliné. Ainsi, toutes les trajectoires sont plane, dans un plan parallèle àP. Tous les vecteurs vitesse et accélération sont parallèles àP. Tous les axes de rotation sont perpendiculaires àP.
On peut ainsi ne travailler qu'avec deux coordonnées spatiales,x ety ; onprojette les positions et trajectoires sur le planP.
Les exemples typiques de mouvement plan sont :
les mouvements à accélération centrale, dont les mouvements des planètes et des comètes autour du Soleil ;
les mouvements de rotation autour d'un axe immobile (Δ) ; le planP est perpendiculaire à l'axe (Δ) (qui est donc l'axez ) ;
les mouvements des solides restant en contact avec un plan, horizontal ou incliné, par exemple une voiture sur une route plane ;
les mouvements des mécanismes dont les axes des pivots sont tous parallèles à une même droite (Δ), et dont les axes des glissières sont perpendiculaires à (Δ) ; le planP est perpendiculaire à l'axe (Δ) (qui est donc l'axez ).
Pour simplifier les calculs, on définit souvent un repère local dit « deFrenet » pour chaque instant ; en un point de la courbe, l'axe desx est la tangente à la courbe et orienté dans le sens du mouvement, et l'axe desy est la normale à la courbe orienté de sorte que le repère soit direct[6]. Ce n'est pas un référentiel mobile par rapport au référentiel de l'étude, c'est un repère instantané, défini juste à un instantt pour simplifier l'écriture des grandeurs à cet instant donné. Le référentiel reste celui du laboratoire, seule change la manière dont on exprime les composantes des vecteurs.
Le problème est donc ramené à trouver la fonction donnant la position sur la courbe en fonction du temps, soits(t). On appellediagramme horaire le graphe de[t,s(t)] : de tels diagrammes sont très utilisés pour les trains (par exemple en France, le CHAIX donne pour l'ensemble du réseau les diagrammes horaires, ce qui permet de calculer les tableaux de correspondance de transport de gare en gare).
Le cas le plus simple est celui du mouvement rectiligne : la trajectoire décrite est une droite.Mouvement dans lequel tout segment reliant deux points du solide reste parallèle à lui-même au cours du temps est aussi une définition classique du mouvement rectiligne.
Évolution de la position, de lavitesse et de l'accélération d'un corps dans un mouvement rectiligne uniforme.
Évolution de la position, de la vitesse et de l'accélération d'un corps dans un mouvement rectiligne uniformément accéléré.
Le mouvement est ditrectiligne uniforme si la vitesse est constante ; cela correspond au mouvement d'un objet lancé dans l'espace hors de toute interaction, ou encore au mouvement d'un objet glissant sans frottement.On a :
L'abscisse curvilignes est alors une fonction linéaire du temps.
En étude des vitesses, ce type de mouvement a une propriété fondamentale :tous les points d'un solide en translation rectiligne uniforme ont le même vecteur vitesse. On considère de plus qu'un solide immobile est en translation rectiligne uniforme :L'immobilité est un cas particulier du mouvement rectiligne uniforme.
Le mouvement peut êtrerectiligne uniformément accéléré — MRUA — (on dit aussirectiligne uniformément varié) ; le vecteur accélération est constant. Ceci correspond à la chute libre (sans frottement) d'un objet lâché avec une vitesse initiale nulle ou dirigée verticalement ; ou bien un mouvement sans frottement sur un plan incliné d'un mobile lâché avec une vitesse initiale nulle ou dirigée par la pente du plan incliné. On a l'accélération
qui est constante, soit :
où est la vitesse àt = 0 (elle est nulle si l'objet est lâché sans vitesse initiale), et
(on prendx(t = 0) =x0). La vitesse est une fonction linéaire du temps, et l'abscisse curviligne est une fonction parabolique du temps.
Dans le cas de la chute d'un corps,a = –g, oùg est l'accélération de lapesanteur au lieu considéré.
Le temps nécessaire au solide pour atteindre une position, se calcule en fonction de l'accélération et en fonction des conditions initiales.
Prenons une fusée dont la positionx varie à chaque instantt ; elle suit une trajectoire rectiligne A–B. Elle subit une accélérationa de 6 m/s2, et on prendx(t= 0) = 0 etv(t = 0) = 0 :
Donc, après 5 secondes de vol depuis A, la fusée est à6/2 × 52 = 75 mètres de A.
Maintenant pour connaître sa vitesse, on calcule :
Donc si la fusée est en vol depuis 5 secondes, sa vitesse est de30m/s.
Le centre d'inertie du mobile décrit un cercle. Cela peut être un mobile contraint à suivre cette trajectoire comme une bille dans une gouttière circulaire, un pendule à fil dont le fil reste tendu, ou un train sur un rail circulaire.
Le vecteur vitesse varie, donc le mobile subit une accélération. Ceci justifie la distinction entre la notion de mouvement varié (dont la norme de la vitesse varie) et de mouvement accéléré (dont le vecteur vitesse varie, en norme et/ou en direction).
On voit aussi que l'accélération est toujours dirigée vers le centre du cercle (on parle d’accélération centrale centripète), et sa norme vaut
Ceci explique que lorsque l'on tourne en voiture, plus le virage est serré ( est faible), plus l'accélération est importante.
Mouvement circulaire uniforme : la vitesse est tangentielle et l'accélération est centripète — accélération et vitesse n'étant pas homogènes, on utilise une échelle différente pour ces deux types de vecteur.
Le centre d'inertie du mobile décrit uneellipse (le mouvement circulaire est un cas particulier de mouvement elliptique). Cela peut être le mouvement d'une voiture sur une courbe suivant un arc d'ellipse, ou bien celui d'un satellite autour d'une planète dans unréférentiel galiléen dans lequel la planète est fixe, ou encore le mouvement d'une planète ou d'une comète autour d'une étoile ; le centre de gravité du système est alors à un des foyers de l'ellipse (ce centre de gravité se confond quasiment avec le plus massif des deux objets quand le rapport des deux masses est très élevé).
On définit la vitesse aréolaire comme étant l'aire balayée par un rayon joignant le foyer au centre d'inertie du mobile.
Détermination de la vitesse et de l'accélération à partir d'un relevé des positions à des instants séparés de
En général, le mouvement du centre d'inertie d'un mobile est enregistré de manière échantillonnée, c'est-à-dire que l'on a des points discrets correspondant à des positions à des instants séparés d'une durée Si l'on considère trois points consécutifs et correspondant à des instants et .
La première approximation consiste à dire que latangente en est parallèle à lacorde Ceci est légitimé par un théorème mathématique disant que pour une fonction continue et dérivable sur un intervalle, il existe un point de cet intervalle dont la dérivée vaut la pente entre les points extrêmes de la courbe sur cet intervalle (voirThéorème des accroissements finis). On peut aussi rapprocher cela du fait que sur uncercle, lamédiatrice d'une corde passe par le milieu de la corde et est perpendiculaire à la tangente au milieu de la corde (puisque c'est unrayon).
La deuxième approximation consiste à estimer la norme de la vitesse constante entre et ce qui est acceptable si la durée est petite par rapport à l'accélération tangentielle. On estime donc que l'on a :
La variation de ce vecteur vitesse donne le vecteur accélération. La composante tangentielle vaut :
ou, par approximation :
en effet, dans le repère de Frenet, on a et on fait l'approximation (approximation d'ordre 0).La composante normale est donnée par la variation de direction du vecteur vitesse ; on a par définition du repère de Frenet, soit :
(approximation d'ordre 1, puisque l'ordre 0 est nul).
Dans le cas où le mouvement est lent par rapport à la précision de la mesure, la position enregistrée va avoir des variations dues aux incertitudes de mesure ; ainsi, au lieu d'avoir une courbe lisse, on va avoir une courbe présentant des oscillations (du bruit). Si l'on prend les points tels quels, on va calculer des vitesses instantanées incohérentes qui vont se répercuter sur les calculs des accélérations. Si les données sont traitées de manière informatique, on effectue donc un lissage des données.
Choisissons sur une courbeC un pointM0 comme origine, puis désignons parM(t) la position du mobile à l'instantt, et pars = M0M l'abscisse curviligne du pointM. La vitesse du mobile peut s'écrire :
Dans le repère, considérons le mouvement d'équation horaire :
Le vecteur position s'écrit :
Le vecteur vitesse s'écrit :
Le module du vecteur vitesse est :
, c'est une constante.
L'accélération tangentielle est :
Le vecteur accélération totale est :
Son module est :
, c'est une constante.
Les accélérations totale, tangentielle et normale forment un triangle rectangle ayant l'accélération totale pour hypoténuse ; alors d'après lethéorème de Pythagore on a, ce qui donne ici :
Le prérequis pour faire une étude cinématique consiste à enregistrer le mouvement. Dans le cadre de l'enseignement, on étudie en général le mouvement depalets autoporteurs. Ce sont des appareils cylindriques surcoussin d'air (un jet d'air les maintient quelques millimètres au-dessus de la table), ce qui leur permet de glisser sansfrottement (on néglige les frottements de l'air). On utilise une table conductrice d'électricité avec un papier spécial ; reliés à une base de temps (une horloge qui délivre des impulsions électriques à des instants espacés de), les palets autoporteurs provoquent des étincelles qui marquent le papier spécial. Ainsi, chaque point sur le papier correspond à la position du centre d'inertie à un instant donné. Ceci permet d'étudier le mouvement sur un plan horizontal et incliné, éventuellement avec deux palets (indépendants, reliés par un élastique ou s'entrechoquant).
Pour étudier lachute libre, on utilise un objet lourd et profilé, une sorte d'obus métallique, que l'on fait tomber verticalement dans une cage (afin qu'il ne bascule pas après l'impact sur la zone de réception). On colle une feuille de papier dessus, et la cage est munie d'une « lance rotative », projetant un fin jet d'encre. La lance tournant selon une fréquence constante, chaque trait sur le papier marque le point présent au niveau de la lance à un moment donné.
Grâce à la réduction du coût du matériel informatique, on peut maintenant disposer d'uncaméscope numérique. On peut donc filmer le mouvement (le caméscope étant fixe, posé sur un pied), puis en affichant les images une par une, relever la position de l'objet pour chaque image.
Les forces depolice s'intéressent en général uniquement à la vitesse et disposent decinémomètres àeffet Doppler-Fizeau, improprement appelés « radars ». Ceux-ci permettent de mesurer directement la vitesse instantanée. Lorsque s'est produit unaccident, les traces de freinage, et les éventuelles traces d'impact sur le mobilier urbain ou les rails de sécurité, permettent de recomposer la trajectoire des véhicules. Notamment, la longueur des traces de freinage permet d'estimer la vitesse avant le début du freinage (la force de freinage étant constante).
Le conducteur, quant à lui, dispose d'untachymètre (indicateur de vitesse) sur son tableau de bord, qui lui permet de connaître également sa vitesse instantanée. Il se base en général sur la fréquence de rotation des roues ; par exemple, une pastille réfléchissante est collée sur l'arbre de transmission, et une cellule photo-détectrice permet de connaître le temps qui s'écoule entre deux passage de la pastille, donc la fréquence de rotation et par là la vitesse.
Les cyclistes mettent un aimant sur un rayon de la roue avant et un détecteur magnétique sur la fourche, ce qui leur permet, de la même manière, de mesurer la vitesse et le chemin parcouru. D'anciens systèmes étaient basés sur une petite roue tournant, entraînée par la roue du vélo.
Les marcheurs disposent depodomètres qui détectent les vibrations caractéristiques du pas. Le marcheur ayant rentré la longueur moyenne de son pas, l'appareil peut déterminer la distance parcourue ainsi que la vitesse (produit de la longueur du pas par lafréquence de pas).
La vidéo couplée à l'analyse informatisée des images permet également de déterminer la position et la vitesse des véhicules. Ceci est utilisé pour estimer le trafic et détecter les embouteillages, et pourrait faire son apparition dans les véhicules dans un avenir proche, afin de fournir uneaide à la conduite (par exemple évaluation des distances de sécurité en fonction de la vitesse, détection de trajectoires anormales et de freinage d'urgence).
Aux débuts de lanavigation maritime côtière, les marins se repéraient grâce aux reliefs de la côte. Les éléments caractéristiques (villes, phares, églises…), appelésamers, sont toujours utilisés et permettent une localisation rapide et simple, facilement exploitable en cas de demande de secours (voirNavigation par relèvements).
La navigation au long cours est possible en utilisant les étoiles comme repère, c'est la notion denavigation astronomique ; elle était utilisée traditionnellement par lesPolynésiens[7] (voir Peuplement de l'Océanie > Navigations austronésiennes). En Europe, elle a été rendue possible grâce au développement deshorloges ; en effet, elle utilisait la position des astres, or celle-ci varie avec l'heure. Connaissant la date et l'heure, et muni d'une éphéméride (relevé des positions des étoiles selon la date et l'heure), les astres jouaient alors le même rôle que les repères côtiers.
Laboussole permet de déterminer le cap que l'on suit, et pour un navire, la vitesse peut être estimée par la vitesse du vent et les courants. Ceci permet d'anticiper la trajectoire.
Pour se repérer, les aviateurs et marins naviguant aux instruments disposent des signaux émis par des antennes. À la fin desannées 1960–début desannées 1970, certains pays développent des réseaux d'antennes terrestres, comme lesystème de navigation Oméga ou bien le systèmeLORAN-C. Puis, à la fin des années 1970 sont lancés des satellites (systèmeGPS,GLONASS, futur systèmeGalileo) . Les antennes émettent des signaux synchronisés, et le décalage entre la réception des signaux permet de déterminer la position sur le globe terrestre (voirSystème de positionnement) ; ces systèmes sont également accessibles aux véhicules terrestres et aux piétons. Pour le décollage et l'atterrissage, les avions disposent de balises radio posées au sol leur donnant un repérage précis par rapport à la piste, permettant des manœuvres sans visibilité (de nuit ou par mauvais temps), voir les articlesVol aux instruments etVHF Omnidirectional Range.
Les systèmes de surveillance aérienne (tour de contrôle, aviation civile, armée) ou nautique (CROSS,centre régional opérationnel de surveillance et de sauvetage), ainsi que certains avions et navires, sont munis deradars. Ces dispositifs émettent une impulsion radio dans toutes les directions (en général avec une antenne tournante). Une impulsion revient si elle rencontre un obstacle ; le temps qu'elle met à revenir permet de déterminer la distance de l'obstacle, et le décalage en fréquence permet de déterminer la vitesse de l'obstacle (effet Doppler-Fizeau).
↑Pierre Varignon,Du mouvement en général par toutes sortes de courbes, et des forces centrales, tant centrifuges que centripètes, nécessaires aux corps qui les décrivent, Mémoires de l'Académie royale des Sciences (MARS),(lire en ligne),p. 83-101.
↑GeorgesBoulinier et GenevièveBoulinier, « Les Polynésiens et la navigation astronomique »,Journal de la Société des océanistes,t. 28,no 36,,p. 275–284(lire en ligne)
