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La
dynamique
est une branche de la mécanique classique qui étudie les causes du mouvement
des corps, en lien avec les intecactions qu'il subit. Contrairement
à la cinématique, qui se contente de décrire le mouvement (position,
vitesse, accélération) sans s'intéresser à ses causes,
la dynamique cherche à expliquer comment un objet se déplace. Le concept
central est donc ici la notion de force, définie
comme une action capable de modifier l'état de repos ou de mouvement d'un
corps. Une force est une grandeur vectorielle caractérisée par une intensité,
une direction et un sens.
Aux échelles ordinaires
(vitesses faibles, objets macroscopiques, etc.), la dynamique classique
(newtonienne), qui s'est constitué eu XVIIe
siècle, reste très précise et irremplaçable encore aujourd'hui du fait
de sa simplicité. Mais, à très haute vitesse (proche de la vitesse de
la lumière), elle doit être remplacée par la relativité
restreinte (Einstein). À l'échelle atomique ou subatomique, elle est
remplacée par la mécanique quantique. Dans
des champs gravitationnels très intenses, il est nécessaire de recourir
à la relativité générale.
Concepts clés
en dynamique.
Le mouvement d'un
corps est décrit en termes de position,
de vitesse et d'accélération.
La vitesse traduit la rapidité et la direction du déplacement, tandis
que l'accélération représente la variation de la vitesse au cours du
temps. L'association de la notion de masse à ces concepts cinématiques
fondent la dynamique. A partir de la masse est définie la notion de quantité
de mouvement et, au-delà , celle de force, qui est la mesure d'une interaction
capable de modifier l'état de mouvement d'un objet.
La
masse.
La masse
'm est une
propriété fondamentale des corps qui mesure leur inertie, c'est-à -dire
leur résistance au changement de mouvement. Elle intervient dans les équations
de la dynamique comme un facteur de proportionnalité entre la force et
l'accélération.
Le
poids, parfois confondu à tort avec la masse, est la force d'attraction
(grandeur vectorielle) exercée par la Terre sur un corps. Il dépend de
la masse (grandeur scalaire) mais varie avec la position en raison de la
variation du champ de gravitation. P = mg, où g
est l'accélération de la pesanteur en un lieu donné.
Le
moment d'inertie.
Le moment
d'inertie caractérise la tendance d'un objet à résister au changement
de son état de rotation. Il dépend de la distribution de la masse de
l'objet par rapport à l'axe autour duquel il tourne. Plus la masse est
éloignée de l'axe, plus le moment d'inertie est élevé. Cela signifie
qu'il faut fournir davantage d'énergie pour faire tourner l'objet ou,
inversement, qu'il lui sera plus difficile de s'arrêter une fois en mouvement.
Il s'exprime mathématiquement par l'équation : J = m.r ²,
unités : kg.m².
La
quantité de mouvement.
La quantité
de mouvement p (Ã ne pas confondre avec le poids P!)
est le produit de la masse m d'un corps par sa vitesse v
: p = m.v = m.dr/dt. Cette grandeur
vectorielle se conserve dans un système isolé, ce qui conduit au principe
de conservation de la quantité de mouvement. La quantité de mouvement
s'exprime en kg m s−1.
Le
moment cinétique.
Le moment
cinétique'L
est analogue à la quantité de mouvement pour un corps en rotation et
s'exprime en kilogramme mètre carré radian par seconde (kg m² rad/s).
Il dépend de la masse de l'objet, de la distribution de cette masse par
rapport à l'axe de rotation et de la vitesse angulaire de rotation. Il
est défini comme le produit de l'inertie de rotation (ou moment d'inertie
J) de l'objet par sa vitesse angulaire. On l'exprime généralement
par la formule L = Jω, où ω la vitesse
angulaire (vecteur rotation instantanée). Le moment cinétique est un
vecteur dont la direction est perpendiculaire au plan de rotation (vecteur
axial), selon le sens de la règle de la main droite.
Les
lois de Newton.
Les grandeurs cinématiques,
associées aux notions de masse et de quantité de mouvement sont reliées
par les lois de Newton, qui constituent les
fondements de la dynamique classique.
• La
première loi, ou principe d'inertie, énonce qu'un corps persiste
dans son état de repos ou de mouvement rectiligne uniforme si la somme
des forces qui s'exercent sur lui est nulle.
Cela
définit les référentiels dits galiléens,
dans lesquels les lois de la dynamique s'appliquent sans correction. Corrélativement,
travailler dans référentiel non-galiléen nécessite l'introduction
de forces fictives (force centrifuge, force de Coriolis).
• La deuxième
loi de Newton établit que la résultante des forces agissant sur un
corps est égale au produit de sa masse m par son accélération
a,
dans le cas d'une masse constante : F = m.a. Dans
le cas général, on définit la force comme la dérivée par rapport au
temps de la quantité de mouvement p, ce qui est une autre manière
de dire que le changement de l'état de mouvement d'un corps est
lié à l'action d'une force : F = dp/dt.
Ce principe, qui relie directement la cause (force) à l'effet (accélération),
permet de prédire le mouvement d'un corps soumis à des forces connues.
Les
forces (unité : le newton, N) se classent en forces de contact, comme
la réaction normale, la tension ou la force de frottement, et en forces
à distance, comme la gravitation ou les
forces électromagnétiques. Le frottement, par exemple, s'oppose au mouvement
et transforme une partie de l'énergie mécanique en chaleur. L'étude
des forces permet de déterminer la trajectoire
d'un corps et de comprendre les phénomènes d'équilibre et de mouvement.
• La troisième
loi exprime le principe d'action et de réaction : si un corps A exerce
une force sur un corps B, alors B exerce une force de même intensité,
de même direction mais de sens opposé. Ces interactions expliquent le
comportement de systèmes de plusieurs corps.
Le travail d'une force,
qui mesure l'énergie transférée par cette force lors d'un déplacement,
permet de relier la dynamique à la notion d'énergie cinétique. La variation
de l'énergie cinétique d'un corps est égale au travail total des forces
appliquées sur lui, selon le théorème de l'énergie cinétique.
Dynamique
des systèmes en rotation.
La dynamique des
systèmes étendus ou en rotation fait intervenir le moment d'une force,
le moment cinétique et le principe fondamental de la dynamique de rotation.
Ces notions généralisent les lois de Newton aux mouvements de rotation,
en reliant le moment résultant des forces au produit du moment d'inertie
et de l'accélération angulaire.
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Formalismes avancés.
Au-delà de la formulation
newtonienne (ci-dessus), la dynamique peut être abordée par :
• Le
formalisme lagrangien, qui est basé sur l'énergie (cinétique et
potentielle) et le principe de moindre action.
• Le formalisme
hamiltonien, qui utilise les variables de position et de quantité
de mouvement, et est utile en mécanique statistique et en physique théorique.
Ces approches sont particulièrement
puissantes pour les systèmes complexes (avec contraintes, coordonnées
généralisées, etc.). |
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