Les séances d'activité expérimentale n°16 et n°17 couvrent le principe d'inertie.
Etant passager à droite en voiture, pourquoi sommes-nous projetés sur la portière lorsque le conducteur donne un coup de volant vers la gauche ?
Le principe d'inertie répond à cette question. Un phénomène qui n'est pas simple à expliquer et à comprendre. C'est ce que nous allons tenter dans cette séquence.
Avant d'entammer le principe d'inertie, il devient essentiel de définir le modèle du point matériel ainsi que l'effet d'une force sur son mouvement.
Pour simplifier l'étude des mouvements des corps, on assimile l'objet à un point, appelé point matériel. Le procédé consiste à considérer que toute la masse de l'objet soit concentrée en ce point. Cette modélisation s'appelle le modèle du point matériel.
Ainsi, l'étude du mouvement de l'objet se résume en l'étude de ce point. La masse est appelée la masse ponctuelle.
Lorsqu'une ou plusieurs forces s'appliquent sur un objet, le mouvement de celui-ci peut s'en trouver modifié. C'est souvent le cas lorsque les forces ne se compensent pas. On distingue alors une accélaration du mouvement, son ralentissement, son immobilisation, une modification de sa trajectoire, ...
Remarque importante : Attention, il est totalement faux d'assimiler directement la force de mise en mouvement à la vitesse de l'objet. L'effet de la force sur la vitesse sera vue en classe de première pour les élèves qui suivent une orientation scientifique. Nous verrons dans ce cas que la masse aura une influence sur la modification d'une vitesse par une force.
Le principe d'inertie avait été abordé par Galilée et énoncé en 1686 par Isaac Newton :
Enoncé du principe d'inertie : « Tout corps persévère dans son état de repos ou son mouvement rectiligne et uniforme si les forces qui s'exercent sur lui se compensent ou si aucune force ne s'exerce sur lui.»
Règle : Le principe d'inertie s'écrit par la relation vectorielle : \(\displaystyle \sum \limits_{{i=0}}^n \overrightarrow{F_i}=\overrightarrow{0}\).
La réciproque du principe d'inertie devient tout aussi vraie :
Enoncé de la réciproque du principe d'inertie : « Tout corps immobile ou en mouvement rectiligne uniforme ne subit par conséquent aucune force ou subit des forces qui se compensent.»
La contraposée du principe d'inertie devient tout aussi vraie :
Enoncé de la contraposée du principe d'inertie : « Si un système n'est pas en mouvement rectiligne uniforme ou immobile, alors la somme vectorielle des forces qu'il subit n'est pas nulle.»
On considère ici un point matériel de masse \(\displaystyle m\) qui subit une chute verticale. L'objet ne subit que la force de gravitation : son poids.
La chute est verticale si la vitesse initiale est nulle ou si la direction du vecteur vitesse est verticale.
Le cas de la chute libre implique que nous négligeons les forces de frottements de l'air pour ne considérer que la force poids de l'objet. Ces forces de frottements sont négligées devant celle du poids. Cette hypothèse n'est pas systématique et l'énoncé des exercices précise cette importance.
Pour un système en chute libre, une seule force est subie par le système : son poids. Ce dernier n'étant pas nul, on peut appliquer la proposition : « Si un système subit des forces dont la somme vectorielle est non nulle, alors son mouvement n'est pas rectiligne uniforme ou immobile.» L'objet en chute libre n'étant pas immobile, on en déduit alors que son mouvement n'est pas rectiligne uniforme : son vecteur vitesse \(\displaystyle \overrightarrow{v}\) varie.