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Niveau maths sup
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Composantes du poids

Posté par
Linuks
17-08-10 à 00:35

Bonjour ou bonsoir,

Le poids d'un objet situé au voisinage de la terre est la somme de deux forces : gravitationnelle (la force qu'exerce la terre sur l'objet) et inertielle d'entraînement.
Cette force inertielle intervient car le référentiel terrestre n'est pas galiléen mais si on suppose que le référentiel géocentrique est galiléen, je me demandais si en appliquant le PFD à l'objet dans dans le référentiel géocentrique, s'il ne fallait pas "retirer" la force inertielle incluse dans le poids de l'objet puisque le référentiel dans lequel le PFD est ainsi appliqué est supposé galiléen.

Cela donnerait ainsi dans le cas d'une chute libre (supposée sans frottement) en nommant \vec{a_T} l'accélération de l'objet dans le référentiel terrestre et \vec{a_G} l'accélération dans le référentiel géocentrique

Dans le référentiel terrestre :
m\vec{g}+\vec{F_{ic}}=\vec{F_{terre/objet}}+\vec{F_{ie}}+\vec{F_{ic}}=m\vec{a_T}

Dans le référentiel géocentrique :
\vec{F_{terre/objet}}=m\vec{a_G}

Cependant, on a plutôt l'habitude d'écrire dans le référentiel géocentrique :
m\vec{g}=m\vec{a_G}

Tout ça me parait bizarre
Avoir inclus la force inertielle d'entraînement dans le poids ne pose t-il pas de problème ?
Quelle écriture du PFD (s'il y en a une ) est correcte ?
Merci d'avance!

Posté par
efpe
re : Composantes du poids 17-08-10 à 14:13

Bonjour à toi,

Ta question m'a mis en doute mais je crois pouvoir y répondre par un exemple :
Prenons un satellite en orbite géostationnaire :

Etude dans un référentiel terrestre (en projection sur ur):
0 = Fterre/objet + Fie

avec Fie= m.R.²

Etude dans un référentiel géocentrique supposé galiléen :
- m.R.² = Fterre/objet

On retrouve bien évidemment la même conclusion.
Ma conclusion serait donc que, en effet, le poids avec sa valeur g qui tient compte de l'inertie est propre au référentiel terrestre. Tandis que dans le référentiel géocentrique, il faut retrancher la participation de l'inertie (qui est minime néanmoins).
Wikipédia semble d'ailleurs aller dans ce sens :

Citation :
En toute rigueur le poids n'est défini que dans le référentiel terrestre et ne prend en compte que les effets gravitationnels et inertiels


Pour revenir sur le fait que :
Citation :
on a plutôt l'habitude d'écrire dans le référentiel géocentrique : m.g = m.aG
, je pense que cela vient : d'une part du fait que la participation de l'inertie était faible, on appelle aussi g la valeur de l'accélération de pesanteur sans terme inertiel en cas de besoin ; et deuxièmement qu'on ne fait tout bonnement pas la distinction avant le bac de ces 2 termes ^^

Voilà ce que j'en pense mais je serais heureux d'avoir l'avis d'un autre aussi et le tien Linuks

Posté par
Linuks
re : Composantes du poids 17-08-10 à 15:46

Hello efpe et merci de ta réponse!

J'ai bien compris ton exemple après avoir refait les calculs et un petit schéma rapide et en effet on trouve la même force dans les 2 cas (heureusement :p).
En ce qui concerne le problème avec g, je pense aussi qu'en toute rigueur, il faudrait soustraire la force d'inertie d'entraînement si l'on souhaite l'utiliser dans un autre référentiel que celui terrestre.
D'ailleurs dans notre classe, on notait le vecteur h qui était justement g sans son terme inertiel (donc h pointé bien vers le centre de la terre contrairement à g qui est un peu décalé à cause de la force centrifuge).
Mais bon, je pense qu'il faut bien faire la distinction uniquement dans de rares exercices qui le précisent.

Sinon, je me demandais aussi (question un peu en dehors du sujet) comment déterminer le sens du vecteur rotation \Omega.
Par exemple, dans ton exemple, \vec{\Omega} est suivant \vec{u_z} mais qu'en est-il du sens (comment le déterminer suivant notre angle \theta ?).
Voilà, merci encore pour l'éclaircissement sur l'accélération de pesanteur en tout cas^^

Posté par
Linuks
re : Composantes du poids 17-08-10 à 16:21

En fait, je me demande aussi si ce n'est pas bizarre que \vec{F_{ie}} soit selon \vec{u_r} car dans ce cas, en incluant cette force d'inertie dans le vecteur g, alors g pointe toujours vers le centre de la terre.

Posté par
efpe
re : Composantes du poids 17-08-10 à 17:01

Je ne connaissais pas cette notation de vecteur h ou g suivant qu'on prenne le terme inertiel mais ça me parait une bonne idée (y a qu'en prépa qu'on fait ça ).

Ah oui très juste, Fie n'est pas porté par ur, mea culpa . La force d'inertie est toujours perpendiculaire à l'axe de rotation.

Pour cette histoire de vecteur rotation justement, on détermine le sens du vecteur simplement par règle du tire-bouchon ou du bonhomme d'Ampère ou des trois doigts etc suivant les coutumes locales ^^
Tu as déjà du utiliser de telles règles en magnétostatique ou pour vérifier l'orientation d'une base de vecteur

Posté par
J-P
re : Composantes du poids 17-08-10 à 17:02

Dans un référentiel galiléen, on ne doit pas introduire de force fictive.

En considérant le référentiel géocentrique comme Galiléen
En négligeant le frottement, un corps au voisinage de la Terre subit une et une seule force dont le module est |F| = GmM/d²
avec G la constante de gravitation, m la masse de l'objet, M la masse de le Terre et d la distance séparant les centres d'inertie de la Terre et du corps considéré.
On néglige aussi ici les forces sur l'objet due à la présence de la lune et astres autres que la Terre ...
Cette force est dirigée de l'objet vers la Terre, sa direction étant la droite joignant les centres d'inertie de la Terre et du corps considéré.

Si on lache un objet d'une certaine altitude et fixe par rapport à la Terre avant son lacher, et qu'on veut étudier son mouvement dans un référentiel géocentrique ...
Il ne faut pas oublier que au moment du lacher, la vitesse du corps n'était pas nul, il tournait avec la même vitesse angulaire que la Terre et donc on doit tenir compte de cette vitesse "initiale" pour déterminer la trajectoire de l'objet dans sa chute libre.

La trajectoire du corps (dans ce référentiel) ressemble à une parabole, la force F agissant sur le corps (voir ci dessus) est suivant une droite qui change de direction en permanence et donc l'accélération que subit le corps n'est perpendiculaire à la vitesse initiale que juste au moment du lacher.
-----
Si on considère un référentiel Terrestre, alors, on doit introduire une force fictive en plus de l'attraction terrestre qui agit sur le corps.
Cette force dite fictive corrige l'erreur qui serait faite en appliquant le principe d'inertie au corps dans un référentiel non Galiléen.

Cette force de Coriolis est bien connue sur ses effets sur les voyages à altitude presque constante des avions par exemple, cependant elle agit également dans le sens "vertical".

On en parle un peu ici :

Remarque: il n'existe pas de référentiels réels parfaitement galiléens.
On considère comme galiléen certains référentiels qui ne sont pas si les erreurs faites sur les calculs menés dans un problème déterminé peuvent être considérés comme négligeables.
-----
En espérant ne pas avoir encore plus mis le trouble dans les esprits.

:-

Posté par
efpe
re : Composantes du poids 17-08-10 à 17:09

Tout ça me parait clair ^^

Joli nom sur wikipédia : force axifuge, c'est plus intéressant en 3D que le terme centrifuge (d'où mon erreur d'ailleurs)

En tout cas, le cours sur les changements de référentiel en 1ere année est un de ceux qui m'ont le + plu

Posté par
Linuks
re : Composantes du poids 17-08-10 à 18:27

Merci à vous deux^^
Le truc c'est de bien traiter le problème comme le sujet le pose!
Et ne rien oublier comme la vitesse initiale par exemple ^^"
Et pour la règle du bonhomme d'Ampère merci efpe (j'avoue que je faisais pas trop gaffe à ça jusqu'à là...).
Quant à J-P non tu n'as pas mis le trouble dans nos esprits
Merci encore à vous.



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