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Leçon 28 — Applications des vecteurs en physique

Forces, déplacement, vitesse, accélération. Décomposition sur une rampe. Équilibre statique.

Used in: 1.º ano do EM (16 anos) · Equiv. Physik Klasse 10 alemã · Equiv. Physics I japonês · H2 Physics singapurense

Fi=ma\sum \vec{F}_i = m \vec{a}
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Rigorous notation, full derivation, hypotheses

Vecteurs en mécanique

Principes fondamentaux

  1. Équilibre statique : Fi=0\sum \vec F_i = \vec 0 (objet au repos ou en MRU).
  2. 2ᵉ loi de Newton : Fi=ma\sum \vec F_i = m \vec a.
  3. Décomposition : pour une rampe d'inclinaison θ\theta, la gravité g=gȷ^\vec g = -g\hat\jmath se projette en gsinθ-g\sin\theta parallèle (descente) et gcosθ-g\cos\theta normal.

Travail et énergie

  • Travail : W=FdW = \vec F \cdot \vec d.
  • Puissance : P=FvP = \vec F \cdot \vec v.

Cinématique vectorielle

  • Position : r(t)\vec r(t).
  • Vitesse : v(t)=dr/dt\vec v(t) = d\vec r/dt.
  • Accélération : a(t)=dv/dt\vec a(t) = d\vec v/dt.

Pour un mouvement uniformément accéléré : r(t)=r0+v0t+12at2\vec r(t) = \vec r_0 + \vec v_0 t + \frac{1}{2} \vec a t^2

Exercise list

30 exercises · 7 with worked solution (25%)

Application 20Modeling 10
  1. Ex. 28.1Application
    Résultante de F1=(3,4)\vec F_1 = (3, 4) N et F2=(1,2)\vec F_2 = (-1, 2) N.
  2. Ex. 28.2Application
    Pour l'équilibre, F1+F2+F3=0\vec F_1 + \vec F_2 + \vec F_3 = \vec 0 avec F1=(5,0)\vec F_1 = (5, 0), F2=(3,4)\vec F_2 = (-3, 4). Calculez F3\vec F_3.
  3. Ex. 28.3Application
    Masse de 10 kg sur une rampe à 30°. Force parallèle à la rampe (gravité) : mgsin30°mg \sin 30° = ?
  4. Ex. 28.4Application
    Masse en chute libre : F=(0,mg)\vec F = (0, -mg), a=(0,g)\vec a = (0, -g).
  5. Ex. 28.5Application
    Bloc sur rampe lisse à 45°. Accélération en glissant : gsin45°=g2/2g \sin 45° = g\sqrt 2/2.
  6. Ex. 28.6ApplicationAnswer key
    Vitesse résultante d'un bateau vb=(0,4)\vec v_b = (0, 4) km/h sur un fleuve à courant vc=(3,0)\vec v_c = (3, 0) km/h.
  7. Ex. 28.7Application
    Temps pour traverser un fleuve de 800 m : ne dépend que de vbȷ^=4\vec v_b \cdot \hat\jmath = 4 km/h.
  8. Ex. 28.8Application
    Travail de F=(5,3)\vec F = (5, 3) N pour déplacer un objet de d=(4,0)\vec d = (4, 0) m.
  9. Ex. 28.9Application
    Travail d'une force perpendiculaire au déplacement : nul.
  10. Ex. 28.10Application
    Pour un câble tirant F=100\vec F = 100 N à 30° au-dessus de l'horizontale sur un chariot qui se déplace de d=(10,0)\vec d = (10, 0) m : W=?W = ?
  11. Ex. 28.11ApplicationAnswer key
    Accélération moyenne : a=(vfvi)/Δt\vec a = (\vec v_f - \vec v_i)/\Delta t. Pour vi=(10,0)\vec v_i = (10, 0), vf=(10,5)\vec v_f = (10, 5), Δt=2\Delta t = 2s : a\vec a ?
  12. Ex. 28.12Application
    Trajectoire d'un projectile sous a=(0,g)\vec a = (0, -g) avec v0=(v0cosθ,v0sinθ)\vec v_0 = (v_0 \cos\theta, v_0 \sin\theta).
  13. Ex. 28.13Application
    Temps de vol d'un projectile lancé à 45° avec v0=20v_0 = 20 m/s.
  14. Ex. 28.14ApplicationAnswer key
    Portée horizontale du même projectile.
  15. Ex. 28.15Application
    Hauteur maximale du projectile.
  16. Ex. 28.16Application
    Bloc sur rampe avec frottement : force de frottement f=μN=μmgcosθf = \mu N = \mu mg \cos\theta contre le mouvement.
  17. Ex. 28.17Application
    Pour quel θ\theta le bloc commence-t-il à glisser (frottement statique μs=0,3\mu_s = 0{,}3) ? θ=arctanμs\theta = \arctan \mu_s.
  18. Ex. 28.18Application
    Vecteur unitaire dans la direction du mouvement v=(3,4)\vec v = (3, 4).
  19. Ex. 28.19Application
    Décomposition de (10,0)(10, 0) N selon une rampe à 30°30° : 10cos30°10 \cos 30° le long, 10sin30°10 \sin 30° normal.
  20. Ex. 28.20Application
    En équilibre, treillis simple : nœud à 3 forces. Calculer les tensions.
  21. Ex. 28.21ModelingAnswer key
    Avion à 800 km/h cap au nord avec vent de 100 km/h d'est. Vitesse résultante (module + angle).
  22. Ex. 28.22ModelingAnswer key
    Pour que l'avion ci-dessus aille au nord vrai, quel cap doit-il tenir ?
  23. Ex. 28.23ModelingAnswer key
    Plan incliné 20°, masse 5 kg, frottement μ=0,25\mu = 0{,}25. Force parallèle nette ?
  24. Ex. 28.24Modeling
    Funambule sur corde, poids W=600W = 600 N. Tension de chaque côté de la corde quand elle fait un angle de 5° avec l'horizontale.
  25. Ex. 28.25Modeling
    Treillis en V inversé avec 2 câbles soutenant 1000 kg, chaque câble à 30°30° de la verticale. Tension dans chaque câble.
  26. Ex. 28.26ModelingAnswer key
    Voiture en virage : force centripète Fc=mac\vec F_c = m \vec a_c pointe vers le centre. Pour 1 000 kg à 60 km/h sur un virage de rayon 100 m : Fc=?F_c = ?
  27. Ex. 28.27Modeling
    Fusée lancée à 60° avec v0=100v_0 = 100 m/s. Trajectoire vectorielle r(t)\vec r(t).
  28. Ex. 28.28Modeling
    Drone avec poussée vers le haut Fm=(0,F)\vec F_m = (0, F) contre poids P=(0,mg)\vec P = (0, -mg) et vent horizontal V=(V,0)\vec V = (V, 0). Résultante.
  29. Ex. 28.29Modeling
    Véhicule électrique en montée : moteur Fm\vec F_m + frottement Ff\vec F_f + gravité parallèle mgsinθ-mg\sin\theta = mam\vec a.
  30. Ex. 28.30Modeling
    Dans les jeux vidéo, le projectile obéit aux équations vectorielles — implémenter la mise à jour rn+1=rn+vnΔt\vec r_{n+1} = \vec r_n + \vec v_n \Delta t, vn+1=vn+aΔt\vec v_{n+1} = \vec v_n + \vec a \Delta t.

Sources de cette leçon

  • University Physics (Volume 1) — OpenStax · 2016 · EN · CC-BY · ch. 4-6 : cinématique vectorielle et lois de Newton. Source principale.
  • Linear Algebra Done Right — Sheldon Axler · 2024, 4ᵉ éd · EN · CC-BY-NC · ch. 1 : vecteurs en géométrie.
  • Active Calculus — Matt Boelkins · 2024, éd. 2.0 · EN · CC-BY-NC-SA · ch. 9 : calcul vectoriel.

Updated on 2026-04-29 · Author(s): Clube da Matemática

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