Mouvement uniforme et non uniforme : cours de 5e

Une balle qui roule, un skieur qui descend une piste, une feuille qui tombe d'un arbre : le mouvement est partout autour de toi ⁴. Pourtant, ces trois mouvements ne se ressemblent pas. La balle peut aller toujours aussi vite, le skieur prend de la vitesse, la feuille zigzague.

Dans ce cours, tu vas apprendre à décrire proprement un mouvement, puis à le ranger dans l'une de deux familles : les mouvements uniformes et les mouvements non uniformes. Tu avais déjà vu, avant, comment décrire un mouvement, et ce que sont une trajectoire et une vitesse. On s'en sert maintenant pour comparer des mouvements entre eux et pour faire des calculs ².

Cela veut dire qu'on doit toujours préciser d'où on regarde le mouvement ⁴. Une phrase comme « la voiture roule » est incomplète. On dira plutôt : « la voiture roule par rapport à la route ».

Imagine un passager assis dans un train. Pour un observateur qui est sur le quai, le passager avance. Pour son voisin de siège, il ne bouge pas du tout. Les deux ont raison : ils n'utilisent pas le même référentiel. C'est ce qu'on appelle la relativité du mouvement, une idée du programme du cycle 4 ².

Avant Galilée, on pensait qu'un objet était « vraiment » en mouvement s'il bougeait par rapport au sol, et « vraiment » au repos sinon ³. Aujourd'hui, on sait qu'il n'existe pas un repère unique : on choisit celui qui rend la description la plus simple.

Pour voir une trajectoire, on peut marquer sur un schéma les positions d'un objet à différents moments, puis les relier. Une chronophotographie fait exactement cela : une seule image montre l'objet à plusieurs instants. Étienne-Jules Marey en a réalisé une célèbre en 1894, celle d'un chat qui chute ⁴.

La trajectoire ne dit pas tout. Une voiture et un escargot peuvent suivre la même ligne droite sans avoir du tout le même mouvement. Un deuxième élément essentiel pour décrire un mouvement est donc la vitesse ⁴.

Un point de vocabulaire utile : dans un mouvement accéléré, l'objet va de plus en plus vite. Dans un mouvement ralenti, il va de moins en moins vite. Dans un mouvement uniforme, il garde la même vitesse.

Cette définition contient une subtilité. La vitesse peut varier de deux façons :

• en valeur : l'objet accélère ou ralentit, comme un vélo qui démarre ou une voiture qui freine ;
• en direction : l'objet change de cap, comme une voiture dans un virage. Ce changement se voit sur la forme de la trajectoire (courbe) ; il ne rend pas le mouvement non uniforme si la valeur de la vitesse reste la même.

Le mot uniforme ne concerne que la valeur de la vitesse : si elle reste constante, le mouvement est uniforme, que la trajectoire soit droite ou courbe. On parle ainsi de mouvement rectiligne uniforme ou de mouvement circulaire uniforme ⁵. Un mouvement non uniforme, lui, est accéléré ou ralenti.

Comment savoir, en pratique, si un mouvement est uniforme ? Il suffit de repérer la position de l'objet à des instants régulièrement espacés (toutes les secondes, par exemple), puis de regarder les distances entre deux positions voisines. Mesurer ou calculer des vitesses à partir du repérage de positions est une activité typique du programme ².

Ces trois écritures disent la même chose. Si un objet avance à vitesse constante, la distance parcourue est proportionnelle à la durée : en deux fois plus de temps, il parcourt deux fois plus de chemin.

Quand la vitesse change, la relation $v = d/t$ ne donne plus la vitesse à un instant précis. Elle donne une vitesse moyenne, c'est-à-dire la vitesse constante qu'aurait un objet pour parcourir la même distance pendant la même durée. C'est une valeur « lissée » : elle cache les moments où l'objet va plus vite ou moins vite.

Lors d'une chute, un objet lâché va de plus en plus vite. Galilée avait fait l'hypothèse que la vitesse d'un objet qui tombe augmente proportionnellement au temps de chute : si l'objet atteint une vitesse $V$ après une seconde, il atteint $2V$ après deux secondes ³. Pour observer ce mouvement sans qu'il aille trop vite, il lâchait des billes sur un plan incliné, ce qui ralentit la descente tout en respectant la même loi ³. Tu n'as pas à retenir ce résultat pour le contrôle : il montre surtout que les scientifiques ont étudié très tôt les mouvements non uniformes.