La cinématique est la branche de la physique qui étudie le mouvement des objets et leur trajectoire en fonction du temps sans tenir compte des causes qui le produisent.
Dans l'étude de la cinématique, les propriétés chimiques et physiques des corps en mouvement ne sont pas prises en compte, à l'exception des dimensions, ainsi que des forces agissant sur eux. Pour cette raison, on l'appelle également cinématique solide rigide.
Cette branche de la physique est incluse dans la physique classique, donc les formules que nous présenterons dans les articles de cette section ne prennent pas en compte la théorie de la relativité d'Einstein. Autrement dit, les équations que nous allons présenter ne sont valables que pour des vitesses faibles par rapport à la vitesse de la lumière.
Des concepts basiques
Pour comprendre cette branche de la physique, il est essentiel de se familiariser avec quelques notions de base :
1. Position
La position d'un objet fait référence à sa localisation dans l'espace par rapport à un système de référence. Il peut être décrit à l'aide de coordonnées, telles qu'un système de coordonnées cartésiennes (x, y, z), où x, y et z représentent les dimensions spatiales.
La position est généralement représentée par un vecteur indiquant à la fois la magnitude (distance) et la direction depuis l'origine du référentiel.
2. Déplacement
Le déplacement est un changement de position d'un objet.
Il s'exprime sous la forme d'un vecteur qui relie la position initiale à la position finale de l'objet. Le déplacement est indépendant de la trajectoire suivie par l'objet et se mesure en termes de longueur et de direction.
3. Vitesse
La vitesse d'un objet fait référence à la vitesse de changement de sa position par rapport au temps.
Il est exprimé en termes de déplacement par unité de temps et est représenté sous forme de vecteur. La vitesse peut être constante (mouvement uniforme) ou changer avec le temps (mouvement accéléré).
4. Accélération
L'accélération est le taux de variation de la vitesse d'un objet par rapport au temps.
Comme la vitesse, elle est représentée sous forme de vecteur. L'accélération peut être positive (augmentation de la vitesse), négative (diminution de la vitesse) ou nulle (mouvement uniforme).
5. Temps
Le temps est une variable fondamentale en cinématique qui permet de mesurer la durée d'un événement. Cela nous permet de décrire comment les autres variables cinématiques évoluent au fil du temps.
Types de mouvements
Dans la représentation bidimensionnelle de la cinématique, il existe plusieurs types de mouvements qui peuvent être résumés ainsi :
- Mouvement rectiligne uniforme (MRU) : Dans ce type de mouvement, un objet se déplace en ligne droite à une vitesse constante, sans changement dans l'ampleur ou la direction de la vitesse.
- Mouvement rectiligne uniformément accéléré (MRUA) : Dans MRUA, un objet subit un changement constant de sa vitesse, soit une augmentation ou une diminution, sur des intervalles de temps égaux.
- Mouvement circulaire uniforme (MCU) : Dans MCU, la vitesse angulaire reste constante pendant que l'objet se déplace sur une trajectoire circulaire.
- Mouvement circulaire uniformément accéléré (UACM) : L'UAM implique un changement constant de la vitesse angulaire d'un objet en mouvement circulaire.
- Mouvement parabolique : Dans le mouvement parabolique , un objet suit une trajectoire courbe qui ressemble à une parabole, résultant de la combinaison de mouvements horizontaux et verticaux.
- Mouvement harmonique simple. La direction de la force sous laquelle l'objet se déplace est toujours opposée au déplacement et l'amplitude est proportionnelle au déplacement.
Exemples de cinématique
La cinématique se manifeste dans diverses situations de la vie quotidienne et dans les domaines scientifiques.
Mouvement d'une voiture
Lorsque cette voiture accélère ou freine, par exemple lorsqu'elle démarre à un feu de circulation ou ralentit pour s'arrêter, il s'agit d'un exemple de mouvement rectiligne uniformément accéléré (MRUA).
Au moment où la voiture prend un virage, les formules de mouvement circulaire uniforme (MCU) ou de mouvement circulaire uniformément accéléré (MCUA) peuvent être appliquées si à l'intérieur du virage elle freine ou accélère.
Sports
Dans le domaine sportif, la cinématique est appliquée lors de l'analyse du lancer d'une balle de baseball, où la trajectoire de la balle suit un mouvement parabolique .
Astronomie
En astronomie, il est utilisé pour étudier le mouvement des planètes autour du Soleil et calculer leurs orbites.
Centrales nucléaires et physique nucléaire
En physique nucléaire, la cinématique est utilisée pour analyser la collision de particules subatomiques dans les accélérateurs de particules.
De plus, les centrales nucléaires disposent de turbines à vapeur qui, lorsqu'elles fonctionnent, subissent un mouvement circulaire.
Différence entre cinématique et dynamique
D'une part, la cinématique s'occupe de décrire le mouvement en termes de position, de vitesse et d'accélération, sans considérer les causes qui le génèrent. D'autre part, la dynamique se concentre sur l'étude des forces et des interactions qui provoquent le mouvement des objets.
Autrement dit, alors que la cinématique s'intéresse à « comment » les objets bougent, la dynamique se concentre sur « pourquoi » ils bougent et comment ils répondent aux forces appliquées.
