Le vecteur vitesse d'un système physique fait référence à la magnitude vectorielle. Cette magnitude indique la variation de la position d'un objet en fonction du temps. C'est un concept crucial pour l'étude de la cinématique des objets.
Le concept de vitesse est également utilisé dans de nombreuses autres disciplines en plus de la physique. Ainsi, par exemple, on retrouve aussi les notions de vitesse de réaction en chimie ou de vitesse Internet en informatique.
Qu'est-ce que la vélocité ?
En physique, nous définissons la vélocité comme une grandeur physique qui exprime le degré de déplacement d'un corps par rapport à un point matériel dans un temps donné. Cette variation est exprimée dans l'espace, c'est donc une valeur vectorielle, qui indique une grandeur et une direction. Pour cette raison, on parle aussi du vecteur vitesse en référence à la vélocité.
Il existe deux types de vélocité : moyenne et instantanée. La première est calculée en divisant la distance parcourue par le temps écoulé, tandis que le vecteur vitesse instantané correspond à la limite lorsque l'intervalle de temps tend vers zéro. C’est le vecteur vitesse en un point.
Les unités du système international d'unités sont les mètres par seconde (m/s), les kilomètres par heure (km/h) ou les miles par heure (mph).
Types de vélocité : linéaire et angulaire
Il existe différents types de vitesses qui peuvent être classées en diverses catégories selon le contexte dans lequel elles sont appliquées.
Les types de vitesses les plus pertinents dans l’étude de la cinématique sont les suivants :
Vitesse linéaire
La vitesse linéaire est ce qui mesure la distance parcourue par un objet dans une direction spécifique par unité de temps. Par exemple, la vitesse d'une voiture en kilomètres par heure (km/h).
Vitesse angulaire
La vitesse angulaire fait référence à la vitesse de rotation d'un objet autour d'un point ou d'un axe. Elle se mesure en radians par seconde (rad/s) ou en degrés par seconde (°/s).
Lorsqu'un corps tourne par rapport à un axe, la vitesse angulaire ω apparaît. La vitesse angulaire indique la variation de la position angulaire au fil du temps.
Les corps en rotation ont deux types de vitesse : la vitesse angulaire, qui indique la variation de l'angle, et la vitesse tangentielle, qui est la vitesse linéaire avec une direction tangente à la courbure à chaque instant.
Vitesse instantanée
C'est la vitesse d'un objet à un point précis de sa trajectoire à un instant donné. Sa valeur peut être différente de la vitesse moyenne.
Vitesse moyenne
C'est la vitesse moyenne d'un objet pendant un intervalle de temps donné. Il est calculé en divisant la distance totale parcourue par le temps écoulé.
Vitesse relative
C'est la vitesse d'un objet par rapport à un autre. Il est couramment utilisé en physique pour décrire le mouvement relatif de deux objets en mouvement.
Par exemple, dans le cas où le passager d'un bus marche dans l'allée pendant qu'il se déplace, il a deux vitesses relatives : la vitesse par rapport à celle d'un observateur situé à l'intérieur du bus et celle perçue par un observateur situé dans la rue. .
Vitesse terminale
C'est la vitesse maximale qu'atteint un objet en chute libre en raison de la résistance de l'air. Une fois cette vitesse atteinte, l’objet n’accélérera plus.
La force de résistance exercée par l'air sur un objet en chute libre est proportionnelle à la vitesse de l'objet. Cette force augmente à mesure que l'objet prend de la vitesse en raison de l'accélération provoquée par la gravité selon la deuxième loi de Newton. Finalement, il arrive un moment où la force de l’air est contrebalancée par la force de gravité.
Autres types de vitesses
D'un autre point de vue plus spécifique, ces types particuliers sont également définis :
- Vitesse du son : C'est la vitesse à laquelle une onde sonore se propage dans un milieu, comme l'air ou l'eau. Dans l'air à température ambiante, la vitesse du son est d'environ 343 mètres par seconde.
- Vitesse de la lumière : C'est la vitesse à laquelle la lumière se déplace dans le vide, soit environ 299 792 458 mètres par seconde. C'est une constante fondamentale de la physique moderne.
- Vitesse orbitale : C'est la vitesse à laquelle un objet, comme un satellite, doit se déplacer pour maintenir une orbite stable autour d'un autre corps céleste, comme la Terre, afin que la force de gravité ne le fasse pas tomber. Dans ce cas, la force de gravité est égale à la force centripète.
Formules de vélocité
La vélocité est définie comme le changement de position d'un objet par rapport au temps.
Formule de vélocité linéaire
La formule de la vélocité moyenne d'un objet est :
v = Δx/Δt
Où :
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v représente le vecteur variation de vitesse.
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Δx représente la variation du vecteur déplacement ou la distance parcourue (la différence entre les deux points de la trajectoire)
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Δt représente l’intervalle de temps.
La vélocité peut être négative, ce qui signifie que l'objet recule. Il peut également être nul, ce qui signifie que l'objet ne bouge pas.
Formule de vélocité angulaire
Pour calculer la vélocité angulaire moyenne, la formule suivante est utilisée :
ω = 2π/T
Où,
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ω est la vélocité angulaire en radians par seconde
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T est la période de rotation en secondes (le temps qu'il faut à l'objet pour effectuer un tour complet)
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π est la constante PI.
Différence entre la le vecteur vitesse, la vitesse et la rapidité
Le vecteur vitesse représente la rapidité et la direction d'un mouvement, par opposition à la vitesse, qui ne comprend pas la direction. Par exemple, le panneau d’une voiture nous indique la vitesse mais pas la direction à laquelle la voiture se déplace.
La vélocité indique la variation de la position d'un objet par unité de temps. La variation de la position est déterminée par la différence de deux vecteurs, par conséquent, la vélocité est un vecteur qui indique la direction de l'objet.
Exemples de vélocité
Si on exerce une force sur un objet, la vélocité est modifiée d'accord á la première loi de Newton parce qu'elle induit une accélération. Selon la façon dont un objet se déplace ou selon qu'il est soumis ou non à une accélération, différents types de mouvements mo sont définis :
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En mouvement rectiligne uniforme, l'objet a une vélocité constante et ne change pas de direction.
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En mouvement rectiligne uniformément accéléré, l'objet ne change pas de direction mais sa vélocité varie car il est affecté d'une accélération constante. Dans ce cas, la vélocité initiale et finale sont différentes.
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En mouvement circulaire uniforme, l'objet tourne autour d'un axe mais ne subit aucune accélération (ni angulaire, ni tangentielle).
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En mouvement circulaire uniformément accéléré, l'objet tourne autour d'un axe et est soumis à une accélération constante qui peut être angulaire ou linéaire.