Mouvement et vitesse : cours de CAP

Tu bouges tout le temps : en marchant vers le lycée, en roulant à scooter, en te tenant debout dans un bus. Pourtant, quand on te demande « est-ce que tu bouges ? », la réponse n'est pas aussi simple qu'elle en a l'air. Assis dans un train, tu es immobile pour ton voisin de siège, mais tu avances très vite pour quelqu'un resté sur le quai.

Ce chapitre te donne les outils pour décrire un mouvement avec précision : par rapport à quoi on l'observe, quel chemin suit l'objet, et à quelle vitesse il avance. Ces notions servent dans de nombreux métiers : conduite d'engins, logistique, maintenance, sport, sécurité routière. Elles préparent aussi le chapitre suivant sur les forces et l'équilibre.

Dans ce cours, tu vas voir :

• ce qu'est un mouvement et pourquoi il faut toujours préciser un référentiel ;
• comment décrire une trajectoire ;
• ce que mesure la vitesse, comment la calculer et la convertir ;
• les grandes familles de mouvements : uniforme, accéléré, ralenti ;
• une méthode pour réussir les calculs à l'examen.

Le mot important est « par rapport à ». Un mouvement n'existe jamais seul : il faut toujours dire par rapport à quoi on le décrit. Le référentiel, c'est l'objet ou le point que l'on décide de considérer comme fixe pour faire l'observation. Le sol, un quai de gare, le siège d'une voiture sont des exemples de référentiels.

Pour décrire une trajectoire, on utilise un vocabulaire simple. Les ressources de CAP distinguent une trajectoire rectiligne, circulaire ou quelconque. ¹

Pour compléter la description d'une trajectoire, on précise parfois la direction (par exemple nord-sud ou est-ouest) et le sens du déplacement (du sud vers le nord, ou l'inverse). ¹ Une direction est un axe ; un sens est l'une des deux façons de parcourir cet axe.

Les unités. L'unité de la vitesse dépend des unités choisies pour la distance et la durée :

Tu dois toujours utiliser des unités cohérentes : si la distance est en km et la durée en minutes, convertis d'abord la durée en heures (ou la distance en mètres et la durée en secondes).

Dans la vie courante on parle en km/h ; dans les calculs de physique, on utilise souvent des m/s. Il faut donc savoir passer de l'une à l'autre.

Un kilomètre vaut $1000\ \text{m}$ et une heure vaut $3600\ \text{s}$. Donc :

$1\ \text{km/h} = \frac{1000\ \text{m}}{3600\ \text{s}} = \frac{1}{3{,}6}\ \text{m/s}$

On range les mouvements en familles selon l'évolution de leur vitesse. Voici les principales, d'après le cours de mécanique. ⁵

Le mouvement circulaire uniforme associe une trajectoire en cercle et une vitesse de valeur constante. ⁵ Un exemple courant : une grande roue qui tourne à rythme régulier.

Ce mouvement est le plus simple à étudier : à vitesse constante, la formule $v = \dfrac{d}{t}$ donne toujours la même valeur, quel que soit le morceau du trajet que tu mesures. Si le mobile parcourt $20\ \text{cm}$ en $2\ \text{s}$, il parcourt $40\ \text{cm}$ en $4\ \text{s}$ et $60\ \text{cm}$ en $6\ \text{s}$.

En mécanique du solide, la vitesse est celle de l'objet étudié et c'est une grandeur vectorielle. ⁴ Cela veut dire qu'une vitesse ne se réduit pas à un nombre : elle possède trois caractéristiques.

• une direction (la droite le long de laquelle l'objet avance) ;
• un sens (l'un des deux sens possibles sur cette droite) ;
• une valeur (le nombre, en km/h ou en m/s).

Les ressources de CAP citent bien ces trois éléments à propos de la vitesse : direction, sens et valeur. ³ Quand la valeur seule change, l'objet accélère ou ralentit. Quand c'est la direction qui change, l'objet tourne : sa vitesse change alors même si le compteur affiche le même nombre.