L'étude de la chute libre - Maxicours

L'étude de la chute libre

Objectifs
  • Définir la chute libre.
  • Relier la variation du vecteur vitesse d’un système au sens du vecteur poids lors d’un mouvement de chute libre.
Points clés
  • Un système est dit en chute libre s’il n’est soumis qu’à son poids .
  • D’après le principe d’inertie, le mouvement d’un système en chute libre n’est pas uniforme.
  • La variation  du vecteur vitesse est verticale vers le bas, comme le poids .
Pour bien comprendre
  • Le principe d’inertie et sa contraposée
  • Le poids 
  • Le vecteur vitesse et la variation  entre deux instants voisins du vecteur vitesse
  • Les différents types de mouvement
1. Notion de chute libre verticale
Un système est dit en chute libre si la seule force qui s’exerce sur lui est son poids . Le système peut avoir ou non une vitesse initiale.

Comme la somme des forces qui s’appliquent sur le système n’est pas nulle (il n’y a pas de compensation des forces), le système n’est ni immobile, ni en mouvement rectiligne uniforme.

Le mouvement est dit à une seule dimension, car il se fait verticalement.

Exemple
On laisse tomber une balle dont on fait la modélisation par son centre d’inertie.

Mouvement d’une balle soumise à son poids  et modélisé par son centre de gravité (d’inertie) G
La balle n’est soumise qu’à son poids  : elle est donc en chute libre.
2. Type de mouvement d'un système en chute libre verticale
a. Le vecteur vitesse

Lors d’une chute libre verticale, le mouvement du système est rectiligne mais les forces ne se compensent pas.

D’après la contraposée du principe d’inertie, lorsque les forces qui s’exercent sur un système ne se compensent pas, alors le vecteur vitesse  varie.

Au cours d’une chute libre, le vecteur vitesse varie, donc le mouvement n’est pas rectiligne uniforme. Il est accéléré lorsque le vecteur vitesse et le poids ont le même sens, et retardé lorsque le vecteur vitesse et le poids sont de sens opposés.

b. Variation du vecteur vitesse et type de mouvement

La variation  entre deux instants voisins du vecteur vitesse a toujours une même direction et un même sens que le poids  dans un mouvement de chute libre.

  • Le mouvement est dit accéléré si le vecteur vitesse  est dans le même sens que son poids  : la variation  entre deux instants voisins du vecteur vitesse n’est pas nulle (elle augmente).
  • Le mouvement est dit ralenti si le vecteur vitesse  est dans le sens opposé à son poids  : la variation  entre deux instants voisins du vecteur vitesse n’est pas nulle (elle diminue).
Exemple
Une balle est lancée vers le haut. Comme la balle n’est soumise qu’à son poids, c’est un mouvement de chute libre. Son mouvement comporte deux phases : la phase de montée au cours de laquelle le mouvement est ralenti, et la phase de descente au cours de laquelle le mouvement est accéléré.

Mouvement de la balle dans la phase de montée

Mouvement de la balle dans la phase de descente
Lors de la montée, le sens du vecteur vitesse est vers le haut.

Le sens du vecteur variation de vitesse est vers le bas, tout comme le vecteur poids.

La variation du vecteur vitesse diminue, le mouvement est donc ralenti.
Lors de la descente, le sens du vecteur vitesse est vers le bas.

Le sens du vecteur variation de vitesse est vers le bas, tout comme le vecteur poids.

La variation du vecteur vitesse augmente, le mouvement est donc accéléré.
Remarque
En toute rigueur, si les forces de frottement de l’air ne sont pas négligées, le système n’est pas en chute libre. On dit parfois que le système est en chute libre verticale même s’il y a présence de frottements, mais il s’agit d’un abus de langage.

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