★ À maîtriser
📐 Formule — Dans un repère cartésien orthonormé, le vecteur position s'écrit avec trois vecteurs unitaires orthogonaux.
📌 Un vecteur possède trois coordonnées et une direction, tandis qu'une grandeur scalaire est représentée par un nombre réel et ne peut pas être assimilée à un vecteur.
📐 Formule — La norme d'un vecteur vaut et constitue une grandeur scalaire.
📐 Formule — Le vecteur vitesse est la dérivée temporelle du vecteur position : .
📐 Formule — L'accélération est la dérivée temporelle de la vitesse et la dérivée seconde de la position, avec la dimension .
Compléments
Position → vitesse → accélération
★ À maîtriser
📌 À l'équilibre, la somme vectorielle des forces appliquées à un système est nulle ; pour une personne debout, le poids et la réaction du sol vérifient .
📌 Une corde non extensible transmet une force orientée dans sa direction ; lorsqu'elle est à l'équilibre, les forces appliquées se compensent et leurs intensités peuvent être égales.
📐 Formule — Pour un ressort linéaire, la force de rappel est proportionnelle et opposée à la déformation : , où est la constante de raideur.
📐 Formule — À faible vitesse dans un fluide, la force de frottement visqueux est opposée à la vitesse et vérifie ; pour une sphère, .
Compléments
📐 Formule — Pour un ressort suspendu portant une masse, l'allongement à l'équilibre vérifie .
Contact ou distance : corde, ressort, frottement, gravitation
★ À maîtriser
📐 Formule — Le module de la force gravitationnelle entre deux masses et séparées par une distance r est proportionnel au produit des masses et inversement proportionnel à : .
📐 Formule — Au voisinage de la surface terrestre, le poids d'une masse m s'écrit , où l'accélération de la pesanteur est dirigée vers le centre de la Terre et vaut environ .
Compléments
📌 L'approximation reste valable à environ 0,3 % près jusqu'à une altitude de 10 000 m.
Masse et distance → attraction gravitationnelle
★ À maîtriser
📐 Formule — L'énergie mécanique est la somme de l'énergie cinétique et de l'énergie potentielle : .
📐 Formule — La puissance est l'énergie transférée par unité de temps et vérifie ; son unité est le watt, avec .
📌 Au cours des transformations, l'énergie se conserve entièrement, mais elle peut se dégrader ou se transformer notamment en énergie thermique ; parler de perte d'énergie est impropre.
Compléments
📐 Formule — L'énergie thermique reçue par un système vérifie , où m est la masse, C la capacité thermique massique et l'élévation de température.
Énergie : quantité transformée ; puissance : rapidité de transformation
📐 Formule — Le produit scalaire de deux vecteurs peut s'écrire .
📐 Formule — Le travail élémentaire d'une force lors d'un déplacement infinitésimal est .
📐 Formule — Le travail total d'une force le long d'une trajectoire est et possède la dimension d'une énergie, exprimée en joules.
📌 Pour une force constante et un déplacement rectiligne, seul le déplacement parallèle à la force contribue au travail : .
📌 Le travail est moteur et positif lorsque la force et le déplacement ont le même sens, tandis qu'il est récepteur et négatif lorsqu'ils ont des sens opposés.
📐 Formule — La puissance instantanée d'une force vérifie .
Travail moteur positif, travail récepteur négatif
★ À maîtriser
📌 La relation fondamentale de la dynamique est une égalité vectorielle applicable aux systèmes ponctuels en translation, dans un référentiel galiléen, avec une masse supposée constante.
📌 Un système libre soumis à une résultante nulle possède une accélération nulle et conserve une vitesse constante.
Compléments
📌 Le référentiel terrestre peut être approximé comme galiléen pour des expériences très courtes devant 24 heures, tandis que le référentiel géocentrique peut l'être pour des expériences très courtes devant un an.
Lorsqu'un objet en chute atteint son régime permanent, son poids et la résistance de l'air se compensent, l'accélération devient nulle et la vitesse reste constante à la vitesse limite.
Pour un cycliste roulant à vitesse constante sur une route horizontale et rectiligne, l'accélération est nulle et la somme des forces appliquées est nulle ; la réaction du sol compense le poids perpendiculairement et fournit une composante de frottement parallèle au sol.
Résultante des forces → accélération
Résultante nulle → accélération nulle → vitesse constante
★ À maîtriser
📐 Formule — Pour un cycliste roulant à vitesse constante, la force motrice compense exactement les frottements : .
📐 Formule — Pour un skieur descendant une pente d’angle α sans frottements, l’accélération tangentielle vaut et la réaction normale vaut .
📐 Formule — Pour le skieur lâché sans vitesse initiale, la vitesse et la position suivant la pente sont et , indépendamment de la masse.
📐 Formule — Pour un pendule simple de longueur ℓ sans frottements, l’équation angulaire est et la tension du fil vérifie .
Compléments
Forces → accélération → vitesse → position
★ À maîtriser
📐 Formule — En chute verticale sans frottements, l’accélération est constante et égale à l’accélération de la pesanteur, puis la vitesse et la position vérifient et lorsque l’axe est orienté vers le bas.
📐 Formule — Pour un projectile soumis uniquement à son poids, la vitesse et la position vérifient , , et .
📐 Formule — L’apogée d’un projectile est atteint lorsque , à l’instant , et son altitude vaut .
📐 Formule — Avec une force de frottement de Stokes, la vitesse verticale vérifie et tend vers .
Compléments
📐 Formule — Le travail du poids entre A et B vaut lorsque l’axe vertical est orienté vers le haut.
Sans frottements : accélération constante ; avec frottements : vitesse limite
★ À maîtriser
📌 La force de Coulomb est répulsive pour deux charges de même signe et attractive pour deux charges de signes opposés.
📐 Formule — Le module de la force de Coulomb entre deux charges séparées par une distance r est proportionnel à , avec la constante de Coulomb .
📐 Formule — Le champ électrique créé par une charge source qs à la distance r a pour module et une charge q placée dans ce champ subit la force .
Compléments
Charges de même signe : répulsion ; de signes opposés : attraction
★ À maîtriser
📐 Formule — Pour un dipôle constitué de deux charges opposées +q et −q, le moment dipolaire vaut , où d relie la charge −q à la charge +q.
📐 Formule — Le potentiel de Lennard-Jones s’écrit , avec un terme répulsif en r^-12 et un terme attractif en −r^-6.
Compléments
📐 Formule — Le module d’une force de Van der Waals varie selon , ce qui en fait une force à courte portée.
Dipôle permanent → dipôle induit → interaction attractive
★ À maîtriser
📌 Les forces de frottement, notamment la force de Stokes, sont dissipatives et transforment progressivement l’énergie du système en chaleur.
📐 Formule — Une force conservative dérive d’une énergie potentielle selon .
📐 Formule — L’énergie potentielle de pesanteur vaut et le poids dérive de cette énergie potentielle selon lorsque l’axe z est orienté vers le haut.
📐 Formule — Pour une masse soumise uniquement à son poids, l’énergie mécanique se conserve et vaut .
Compléments
Force conservative → énergie potentielle → énergie mécanique conservée
★ À maîtriser
📐 Formule — L’énergie potentielle de pesanteur est et elle donne la force poids .
📐 Formule — Pour une masse lancée verticalement sans frottements avec une vitesse initiale v₀, l’altitude maximale est .
📐 Formule — Le travail d’une force conservative est égal à l’opposé de la variation de son énergie potentielle : .
📐 Formule — Pour un ressort de raideur k, la force de rappel est et l’énergie potentielle élastique est .
Compléments
📐 Formule — L’énergie mécanique d’une masse attachée à un ressort sans frottements est .
Force conservative → travail indépendant du chemin → énergie potentielle définie
★ À maîtriser
📐 Formule — Le théorème de l’énergie cinétique affirme que la variation d’énergie cinétique est égale à la somme des travaux des forces : .
📌 Le théorème de l’énergie cinétique s’applique dans un référentiel galiléen à un système de masse constante, en prenant en compte les forces extérieures et intérieures, conservatives ou non conservatives.
Compléments
📐 Formule — Entre les points A et B, le théorème s’écrit .
📐 Formule — La force dérivant du potentiel harmonique est .
📐 Formule — L’équation différentielle générale du mouvement harmonique est .
📐 Formule — La solution générale du mouvement harmonique peut s’écrire .
Une bille oscille au fond d’un potentiel parabolique
★ À maîtriser
📐 Formule — Pour une masse attachée à un ressort sans frottements, l’équation du mouvement est et sa solution est .
📐 Formule — La pulsation d’un oscillateur ressort vérifie .
📐 Formule — La période d’un ressort est et dépend de la masse et de la raideur du ressort.
📐 Formule — Pour les petites oscillations d’un pendule, l’équation est et sa période est .
Compléments
📐 Formule — Pour une particule proche du fond du potentiel de Van der Waals, la force est approximativement une force de rappel linéaire .
Ressort : k/m ; pendule : g/ℓ
★ À maîtriser
📐 Formule — Un appareil transformant une énergie en chaleur a un rendement de 100 %, par exemple un radiateur électrique vérifie .
Compléments
Les rendements lumineux sont les suivants:
Environ 85 % de l’électricité mondiale est produite en faisant bouillir de l’eau, puis en entraînant une turbine couplée à un générateur électrique.
Énergie primaire → secondaire → finale → utile
📌 L’énergie secondaire a été transformée mais pas acheminée jusqu’au lieu de consommation, l’énergie finale est prête à être utilisée par le consommateur et l’énergie utile est la part de l’énergie finale qui fournit le service recherché.
Les combustibles fossiles représentent 85 % des énergies primaires, tandis que les énergies renouvelables représentent 13 % du mix énergétique en France.
Le CO₂ représente 26 % de l’effet de serre avec un PRG de 1, le CH₄ a un PRG de 28, le N₂O un PRG de 273, le CF₄ un PRG de 7400 et le CHF₃ un PRG de 14 600.
Cette croissance était liée à: l’augmentation du volume des données transportées, la rapidité des échanges, la complexité des demandes comme l’intelligence artificielle
En 2019, l’industrie du numérique représentait 4,2 % de la consommation mondiale d’énergie primaire, 3,8 % des émissions mondiales de gaz à effet de serre, 0,2 % de la consommation mondiale d’eau et 5,6 % de la consommation mondiale d’électricité.
🔄 Le bilan radiatif se déroule ainsi:
La nocivité d’un gaz à effet de serre dépend de sa concentration dans l’atmosphère et de son potentiel de réchauffement global.
La température moyenne de la Terre est restée sensiblement stable durant le XXe siècle, puis a commencé à augmenter à partir de 1880, avec un écart dépassant 1,2 °C par rapport à l’ère préindustrielle.
L’atténuation consiste à tenter de limiter le changement climatique, tandis que l’adaptation consiste à s’acclimater au changement climatique.
Pour atteindre la neutralité carbone, définie ici comme l’arrêt de l’augmentation de la concentration de CO₂, il faudrait atteindre cet objectif d’ici le milieu du XXIe siècle, arrêter l’extraction des énergies fossiles d’ici 2050 et laisser plus de la moitié des réserves restantes sous terre.
La transition énergétique entend remplacer les énergies fossiles par des énergies renouvelables, mais elle nécessiterait d’extraire d’ici 2050 autant de métaux qu’il en a été extrait depuis le début de l’humanité et pourrait aggraver le dépassement des limites planétaires.
Consommation fossile → émissions de GES → réchauffement
| Type | Exemples | Caractéristique |
|---|---|---|
| Contact | Corde, ressort, frottement fluide | Interaction nécessitant un contact |
| À distance | Gravitationnelle, Coulomb, magnétique | Interaction sans contact direct |
| Situation | Accélération | Vitesse |
|---|---|---|
| Sans frottements | Constante, égale à g | Augmente indéfiniment dans le modèle |
| Avec frottements | Diminue jusqu’à zéro | Tend vers la vitesse limite |
| Régime limite | Nulle | Constante, égale à v_lim |
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Qu'est-ce que la cinématique étudie ?
La cinématique étudie le mouvement indépendamment de ses causes.
Cinématique définition
Étude du mouvement sans ses causes.
Comment s'exprime le vecteur position dans un repère cartésien orthonormé ?
avec trois vecteurs unitaires orthogonaux.
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