Changement de référentiel- Mécanique

Bonjour,

Je suis en train de revoir la mécanique en général et les changements de référentiels en particulier.

On a besoin pour la composition des vitesses et des accélérations de la formule de la dérivée d’un vecteur:
(dU/dt) /R = (dU/dt) /R’ + w*U
avec w le vecteur rotation du référentiel R’ par rapport à R et U un vecteur.

Dans cette formule, dans quelle base doit-on exprimer U ? Celle de R, de R’? De plus, ce vecteur doit être exprimé dans la même base que w, car il y a un produit vectoriel ?

Peut importe ! C’est une relation vectorielle, tu utilises la base que tu veux (le plus pratique étant, en général mais pas toujours, la même pour tous les vecteurs).

On peut fort bien parler de la vitesse de M dans un référentiel R et, pour cela utiliser les vecteur de la base liée au référentiel de R’.

Je sais, ce n’est pas le plus facile à comprendre … Déjà que j’ai repassé près de 10 minutes ce matin à (essayer de) (re)faire comprendre que la force centrifuge c’est comme la cuiller de Matrix : ça n’existe pas !!!

Bref, les référentiels non galiléens, non seulement c’est beaucoup moins intuitif qu’on ne le croit, mais en plus au niveau « technique » c’est pas évident non plus … :confused:

Merci de votre réponse,

on peut donc avoir U exprimée dans une base mobile et w dans la base liée à R?
C’est vrai que cela paraît bizarre. Comme je travaille avec le Perez et que les exercices ne développent pas trop ce thème, j’ai un peu de mal.

Pour bien comprendre:
(dU/dt)/R sigifie quoi exactement? Que les vecteurs de la base liée à R sont fixes (donc ne se dérivent pas) ?
Et quand on parle des vitesses, cela se compliquent quand même, non? Par exemple, la vitesse d’un point par rapport à R’ exprimée dans la base de R???

Y a-t-il des exos ou des cours là-dessus?
Merci
Fred.

Par exemple, la vitesse d’un point par rapport à R’ exprimée dans la base de R???
Pour moi, un référentiel est un objet physique (un solide associé à une horloge) qui n’a a priori rien à voir avec une base.
Le référentiiel (dont les livres de math ne parle jamais car ce n’est pas un objet mathématique) permet de DEFINIR des grandeurs comme la position, la vitesse, l’accélération, la force, la masse volumique, la densité de courant, bref, toutes les grandeurs dont a besoin l’observateur pour décrire un phénomène.
Certains de ces objets sont des vecteurs, pas tous. Dans ce cas, une base (qui est quelque chose dont parle les livres de math) sert à projeter ces vecteurs. Si R’ est en rotation par rapport à R, une base fixe (cartésienne) de R’ pourra être vue comme mobile (cylindrique) dans R.
que la force centrifuge c’est comme la cuiller de Matrix : ça n’existe pas

Certes mais un référentiel galiléen, c’est-à-dire un où la 2ème loi de Newton sans terme complémentaire décrit correctement tous les phénomènes mécaniques, quelque soit leur durée, non plus. Il faut donc bien faire comprendre pourquoi des fois, le même référentiel, par exemple le terrestre, est considéré comme galiléen et ça marche et des fois, ça marche pas (pendule de Foucault, etc..)

fx Coq a écrit:

Par exemple, la vitesse d’un point par rapport à R’ exprimée dans la base de R???
Pour moi, un référentiel est un objet physique (un solide associé à une horloge) qui n’a a priori rien à voir avec une base.
C’est vrai qu’on associe souvent un référentiel à un objet physique … Je le fais aussi, mais ça crée de la confusion, notamment que le référentiel entraîne ce qu’on étudie par rapport à lui (surtout si on pense aux forces d’inertie). Un peu comme la voiture entraîne ses passagers ou la Terre entraîne ce qu’il y a à sa surface. Malheureusement, les deux référentiels non galiléen les plus classiques sont aussi ceux qui sont le plus source de confusion … :confused:

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que la force centrifuge c’est comme la cuiller de Matrix : ça n’existe pas
Certes mais un référentiel galiléen, c’est-à-dire un où la 2ème loi de Newton sans terme complémentaire décrit correctement tous les phénomènes mécaniques, quelque soit leur durée, non plus. Il faut donc bien faire comprendre pourquoi des fois, le même référentiel, par exemple le terrestre, est considéré comme galiléen et ça marche et des fois, ça marche pas (pendule de Foucault, etc..)
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Sauf que pour décrire un phénomène, même le pendule de Foucault, on n’est pas obligé du tout de se placer dans le référentiel non galiléen ! Je dirais même qu’arriver à l’interpréter en référentiel galiléen est bien plus intéressant.

Exemple de truc pas si simple à comprendre pour les élèves. Ils m’ont (encore) dit « oui, oui », gentiment et poliment, hier, mais je doute que tous aient véritablement compris ce que je cherchais à leur dire. Alors que je tournais la tête de droite à gauche, j’étais en train de faire subir à l’élève au tableau des forces d’inertie correspondant à une accélération de 360 g !!! :open_mouth: (même les pilotes de chasse ne dépassent pas le 10 g) Et le pire, c’est qu’il n’avait même pas mal ! Et après, il croit encore aux forces d’inerties … :frowning: Ben oui, quand ils ne sentent pas les forces d’inerties, ce n’est pas parce qu’elles n’existent pas, mais parce qu’ils ne sont pas dans un référentiel non galiléens ! Il sont sur Terre ! :frowning:

Que c’est dur la relativité … :frowning:

Tant qu’on est en référentiels…
Pourquoi les « forces d’inertie » (comme tout le monde les appelle) sont-elles appelées « pseudo-forces d’inertie » (comme les appellent quelques puristes) :question:

Pourquoi les « forces d’inertie » (comme tout le monde les appelle) sont-elles appelées « pseudo-forces d’inertie »
Pour moi, c’est parce que ce ne sont pas des forces crées par une source quelconque (à nuancer après les longues réflexions de Mach sur le tonneau de Newton, que je n’ai jamais vraiment bien comprises) . Ce qui est pseudo, ce sont les forces, pas le mot « d’inertie ». Je fais peut être partie de ces « puristes » mais je n’inclue pas ces termes dans le bilan des forces subies par le système mobile.
C’est clairement une astuce mathématique pour se ramener à une expression « simple » de la loi de Newton. Si l’on ne cherche pas à donner une signification physique à ces termes, cela ne pose pas de problème particulier. On ne fait que reporter les termes compliqués de l’accélération d’un côté à l’autre de l’égalité.

C’est rigolo parce que personne ne fait tant d’histoire à propos de l’expression de la densité volumique des forces de pression (en grad(p)) qui n’a pas non plus de signification physique et qui n’est qu’une astuce mathématique pour se ramener à une équation locale plus simple que l’équation intégrale.

mais ça crée de la confusion, notamment que le référentiel entraîne ce qu’on étudie par rapport à lui
Je comprends l’objection bien que je n’ai jamais perçu cette confusion chez les étudiants. Je ferai plus attention à ça. Le solide dont je parle, c’est l’observateur qui regarde le match,dans la tribune ou dans le train qui passe à côté du stade. Il ne tape pas dans le ballon.
Je dirais même qu’arriver à l’interpréter en référentiel galiléen est bien plus intéressant.
Oui mais il n’aurait pas été galiléen pour une autre expérience ou si on regardait le pendule pendant pusieurs jours au lieu de plusieurs heures.

Pour revenir à la distinction base/référentiel, je ne comprenais pas, quand j’étais taupin, l’histoire des 3 étoiles fixes du référentiel de Copernic car je pensais que leurs directions devait être orthogonales (base ortho…) et je trouvais hasardeux d’affirmer que c’était possible d’en trouver (même s’il y a beaucoup d’étoiles). Quand j’ai compris qu’il suffit qu’elles soient non coplanaires et forment donc un solide 3D, j’ai été soulagé.

Que c’est dur la relativité

Paradoxalement, je trouve que non, si on la débarasse de toute interprétation, physique ou philosophique, inutile. Pour moi, c’est une histoire de deux observateurs qui observe la même chose avec deux langues différentes. Y en a pas un qui est « mieux », « plus correct », « plus interessant » que l’autre. Chacun d’eux cherche à aller au plus simple, pour lui, dans son langage. Après, pour comparer ce qu’ils disent, il faut un dictionnaire: c’est le rôle des formules de changement de référentiel (dites « formules de composition » en théorie galiléenne)

fx Coq a écrit:

C’est rigolo parce que personne ne fait tant d’histoire à propos de l’expression de la densité volumique des forces de pression (en grad(p)) qui n’a pas non plus de signification physique et qui n’est qu’une astuce mathématique pour se ramener à une équation locale plus simple que l’équation intégrale.
Je suis d’accord avec le fait que le « pseudo » porte sur le mot « force » et pas sur le mot « inertie », mais je ne trouve pas que cela soit analogue à grad(P). grad(P) est une autre expression d’une vraie force. Une autre traduction, dans un autre langage, le langage local. Mais ça a autant d’interprétation physique que n’importe quelle équation locale, même celles de Maxwell !

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mais ça crée de la confusion, notamment que le référentiel entraîne ce qu’on étudie par rapport à lui
Je comprends l’objection bien que je n’ai jamais perçu cette confusion chez les étudiants. Je ferai plus attention à ça. Le solide dont je parle, c’est l’observateur qui regarde le match,dans la tribune ou dans le train qui passe à côté du stade. Il ne tape pas dans le ballon.
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Oui, justement ! Regarder une voiture accéléré c’est aussi « être » dans le référentiel de la voiture accélérée et DONC subir des forces d’inertie. Pourtant personne n’a rien senti de particulier en regardant un grand prix de F1. A force d’associer un solide à un référentiel (ce que tout le monde fait, moi y compris) c’est attacher les points à ce référentiels et on en arrive à des absurdités comme :
« Oui mais là le point il *appartient *à quel référentiel ? »
'M il est dans quel référentiel ?"

C’est vraiment pas facile à concevoir qu’on est tout le temps à chaque instant dans tous les référentiels et qu’il n’y a pas de meilleur référentiel au sens physique. Le seul « meilleur » référentiel que l’on puisse trouver c’est au niveau mathématique, c’est celui qui permet de simplifier les calculs (qui utiliserait le référentiel de Copernic pour décrire la chute libre d’une balle de tennis ?) …
fx Coq a écrit:

Pour revenir à la distinction base/référentiel, je ne comprenais pas, quand j’étais taupin, l’histoire des 3 étoiles fixes du référentiel de Copernic car je pensais que leurs directions devait être orthogonales (base ortho…) et je trouvais hasardeux d’affirmer que c’était possible d’en trouver (même s’il y a beaucoup d’étoiles). Quand j’ai compris qu’il suffit qu’elles soient non coplanaires et forment donc un solide 3D, j’ai été soulagé.

Et … justement, la question à 100 balles : quelles sont ces étoiles ? Je veux dire, elles existent formément pour pouvoir se repérer à l’échelle du système solaire, mais quelles sont-elle ? Je me doute bien que ce sont des noms poétiques en ALH5464-BX, mais ça me ferait plaisir de les entendre au moins une fois ! :slight_smile:

CBP a écrit:

Et … justement, la question à 100 balles : quelles sont ces étoiles ? Je veux dire, elles existent formément pour pouvoir se repérer à l’échelle du système solaire, mais quelles sont-elle ? Je me doute bien que ce sont des noms poétiques en ALH5464-BX, mais ça me ferait plaisir de les entendre au moins une fois ! :slight_smile:

J’ai toujours cru que cette histoire d’étoiles lointaines était une tournure de style.

grad(P) est une autre expression d’une vraie force.

Oui dans un certain sens, mais la force c’est pdS, pas grad(p)dV. Quand je vois certains élèves calculer la force de pression exercée sur un barrage par l’integrale de grad(p), cela me parait une faute de logique puisque gard(p) vient de cette intégrale transformée par Green-Ostrogradski. On défait ce qu’on a fait avant.

Quand je parle d’interprétation physique, je veux dire que l’écriture mathématique décrit telle quel un objet physique. C’est le cas de E, B (? voir discussion sur le potentielvecteur :wink: ) à la rigueur div(E) (topographie des lignes de champ) et grad(p) ( topographie des isobares des cartes météo) mais pas grad(p)dV.

Mû a écrit:

[quote=« CBP »]
Et … justement, la question à 100 balles : quelles sont ces étoiles ? Je veux dire, elles existent formément pour pouvoir se repérer à l’échelle du système solaire, mais quelles sont-elle ? Je me doute bien que ce sont des noms poétiques en ALH5464-BX, mais ça me ferait plaisir de les entendre au moins une fois ! :slight_smile:
J’ai toujours cru que cette histoire d’étoiles lointaines était une tournure de style.
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Non, non, ce n’est pas une tournure de style du tout ! Car il faut bien des points de repère pour voir les avancées des périhélies, les modifications d’inclinaison des plans orbitaux …

En revanche, c’est pas sûr que cela soit des étoiles (qui seraient trop près pou pouvoir être considérée comme fixes) et je parierais sur quelques galaxies (quoique bof, c’est plus une tâche qu’un point vu d’ici) ou quelques pulsars …

fx Coq a écrit:

grad(P) est une autre expression d’une vraie force.
Oui dans un certain sens, mais la force c’est pdS, pas grad(p)dV. Quand je vois certains élèves calculer la force de pression exercée sur un barrage par l’integrale de grad(p), cela me parait une faute de logique puisque gard(p) vient de cette intégrale transformée par Green-Ostrogradski. On défait ce qu’on a fait avant.

Quand je parle d’interprétation physique, je veux dire que l’écriture mathématique décrit telle quel un objet physique. C’est le cas de E, B (? voir discussion sur le potentielvecteur :wink: ) à la rigueur div(E) (topographie des lignes de champ) et grad(p) ( topographie des isobares des cartes météo) mais pas grad(p)dV.

Ah oui, d’accord, OK. Vu comme ça, oui. :slight_smile:

C’est effectivement un des problèmes que je rencontre en colle de spé : repartir systématiquement des équations locales … Après un moins sur les ondes, je comprends, mais bon, quand on a un fil infini chargé, tout se refaire en local … pfff … c’est lourd ! En revanche, vu qu’on n’a plus à utiliser grad(P) pour la relation fondamentale de la statique des fluides, on n’a plus le problème ! :slight_smile: Au moins en sup. D’ailleurs, je ne me souviens pas l’avoir rencontré lorsque grad(P) était encore au programme … Mais bon …

Merci de cette discussion. Je trouve que la question référentiel, espace, temps est première en Physique, pas seulement en mécanique (sinon, on ne peut rien définir) et qu’elle n’est pas assez mise à sa juste place en Sup. Quand j’enseignait en Sup, c’était mon premier cours (et non les « rappels » sur integrales triple et double que j’avais eus comme hypo taupin ). :smiley:

Oui, c’est vrai que ce genre de concept n’est pas facile, mais alors pas facile du tout à bien assimiler. Pour ma part, je ne suis arrivé à me mettre d’accord avec moi-même à 100 % il y a seulement deux ans. Alors que j’enseigne depuis 5 ans … :confused:

Dans mon cours, jJ’ai toujours eu un paragraphe intitulé « les forces d’inerties : des vraies forces ? » car c’est une question que je me posais vraiment. « Avant » je disais « oui, mais seulement d’un certain point de vue car elle ne sont pas invariantes par changement de référentiel. » Maintenant je préfère dire « Non, ce ne sont que des artefacts mathématique car elles ne sont pas invariantes par changement de référentiel. » C’est beaucoup moins intuitif et « acceptable » du point de vue des élèves (cela occasionne régulièrement débat si les élèves sont chauds ou incompréhension complaisante si les élèves sont amorphes) mais c’est bien plus cohérent.

C’est comme le « poids » : on ne sent pas son poids ! On ne sent que la réaction du sol (ou de la chaise) sur ses pieds (ou sur ses fesses). Ca aussi c’est pas évident à comprendre. A quand les classes transformées en simulateur de vol pour montrer pourquoi changer la réaction du sol change l’impression que l’on a du mouvement ? Et une sortie dans un parc d’attraction comme voyage de classe pour étudier la mécanique non galiléenne, vous croyez que le proviseur pourrait y croire ? :slight_smile: Faudra vraiment que j’essaie de faire ça un jour ! :slight_smile:

µ, je crois que ça pourra t’intéresser
fr.wikipedia.org/wiki/Recherche_ … l_inertiel

D’accord avec ce qui vient d’être dit, mais personne n’a d’exos à me proposer? :frowning:

Encore une fois, ils disent bien qu’il y a des quasars considérés comme fixes, et que c’est un acte de foi, mais ils ne disent pas lesquels !

Et pourtant ces quasars doivent exister puisque c’est à partir d’eux qu’on fabrique des catalogues d’étoiles !! :slight_smile:

Fred1 a écrit:

D’accord avec ce qui vient d’être dit, mais personne n’a d’exos à me proposer? :frowning:

Sur ce sujet, je te conseille deux ouvrages de mécanique originaux parce qu’ils réservent à ces questions de référentiels, d’espace et de temps une place importante qu’on ne trouve pas dans les livres plus traditionnels (et parfois plus dogmatiques) de mécanique. Les références sont:

:arrow_right: L’univers mécanique de Luc Valentin aux éditions Hermann (ça, c’est le bouquin de cours).
:arrow_right: Exercices de mécanique de J.-P. Dedonder, M. Mouchet, D. Schmaus et L. Valentin, aussi aux éditions Hermann (il s’agit du bouquin d’exos corrigés).

Merci pour ces références.

On peut donc apparamment exprimer un vecteur dans une base quelconque (liée à R, à R’, …).
Lorsque l’on demande d’exprimer la vitesse d’un point A par rapport à un référentiel, on exprime le vecteur position OA avec O origine du référentiel, puis on exprime dOA/dt. C’est bien cela?
Pourquoi alors le Pérez note parfois ce vecteur (dOA/dt)/R avec /R écrit en indice? Ce rajout est donc superflu?
Et puis, pourquoi alors utiliser la relation de dérivée d’un vecteur qui permet de l’exprimer dans une autre base (expression du tout premier post)?

Il y a un truc que je ne perçois pas là-dedans, si vous y voyez plus clair…

Fred

Pourquoi alors le Pérez note parfois ce vecteur (dOA/dt)/R avec /R écrit en indice?

Je ne suis pas Perez mais je mettrais aussi cet indice par cohérence relativiste. La position est définie dans un référentiel, elle est différente dans un autre.
Mais je pense qu’ici il s’agit de la dérivée temporelle. Bien sûr, le temps est le même dans tous les référentiels en théorie galiléenne mais plus en théorie einsteinienne. La notation de Perez est donc peut-être une préparation pédagogique au chapitre sur cette autre théorie (il n’y a pas UNE théorie de la relativité comme disent les journaux mais plusieurs dont au moins une est utilisée très communément, celle de Galilée).

Soyons pruistissime: je mettrais bien un indice indiquant le référentiel au pied de TOUTES les grandeurs utilisées ne Physique, pour dire qu’il est nécessaire pour définir cette grandeur. Mais bon, ce serait un peu lourd et très souvent, on n’étudie pas souvent un phénomène dans deux référentiels (plutôt que « changer de référentiel »…comme de chemise ??). Mais ça arrive, en électromagnétisme par exemple. Tiens, l’effet Doppler bien connu des amateurs de pompiers ou de formule 1, est aussi un effet relativiste, même chez Galilée.