Physique : mécanique newtonienne

Rien n'existe sans référentiel

Un passager assis dans un TGV est immobile dans le référentiel du train, et il file à 300 km/h dans le référentiel terrestre. Aucune des deux descriptions n'est fausse : la vitesse, la trajectoire et même « être au repos » n'ont de sens que par rapport à un référentiel choisi. La toute première ligne d'un exercice de mécanique est donc : « On se place dans le référentiel terrestre, supposé galiléen. »

Les référentiels utiles au lycée

• Terrestre : lié au sol, adapté aux mouvements courts (chute, voiture, projectile).
• Géocentrique : centré sur la Terre, axes vers des étoiles lointaines, adapté aux satellites.
• Héliocentrique : centré sur le Soleil, adapté aux planètes.

Première loi : le principe d'inertie

Dans un référentiel galiléen, si la somme vectorielle des forces exercées sur un système est nulle, alors son vecteur vitesse est constant : le système est soit immobile, soit en mouvement rectiligne uniforme. La réciproque est vraie également.

Formulé autrement : le mouvement n'a pas besoin de cause, seul le changement de mouvement en a une. C'est exactement l'inverse de l'intuition héritée d'Aristote, et c'est la source de la plupart des erreurs de raisonnement.

Le test du palet sur la glace

Un palet lancé sur une patinoire continue tout droit longtemps : les frottements sont faibles, la somme des forces est presque nulle, la vitesse reste presque constante. Sur du bitume, il s'arrête vite : le frottement, force opposée au mouvement, ralentit le palet. Ce n'est pas le mouvement qui « s'épuise », c'est une force qui agit.

Faire un bilan de forces complet

Méthode en quatre temps :

1. Définir le système (le solide étudié, rien d'autre).
2. Chercher les forces à distance : le poids, systématiquement.
3. Chercher les forces de contact : réaction du support, tension d'un fil, poussée d'Archimède, frottements, force motrice.
4. Représenter chaque force par une flèche partant du centre de gravité, longueur proportionnelle à l'intensité.

Poids et masse : la confusion à éliminer

La masse m se mesure en kilogrammes ; elle est identique partout dans l'univers et mesure la quantité de matière ainsi que l'inertie. Le poids P = m·g est une force, en newtons, qui dépend du lieu. Un astronaute de 70 kg a une masse de 70 kg sur la Lune, mais un poids de 70 × 1,6 = 112 N contre 70 × 9,81 ≈ 687 N sur Terre. Dire « je pèse 70 kilos » est un abus de langage toléré dans la vie courante, jamais en copie.

À toi de jouer

Un lustre est suspendu immobile au plafond par un câble. Fais le bilan des forces et déduis la tension du câble pour une masse de 4 kg (g = 9,81 N/kg).

Corrigé

Système : le lustre. Deux forces : le poids (vertical, vers le bas, P = 4 × 9,81 = 39,24 N) et la tension du câble (verticale, vers le haut). Le lustre est immobile dans le référentiel terrestre galiléen, donc d'après le principe d'inertie la somme des forces est nulle : T = P = 39,2 N environ.