Exercice 1 : Voiture en mouvement rectiligne uniforme
Une voiture se déplace en ligne droite à vitesse constante sur une route horizontale. Décrire les forces qui s’exercent sur elle selon le principe d’inertie.
Solution :
D’après le principe d’inertie, comme le mouvement est rectiligne uniforme, la somme des forces est nulle :
\[ \vec{R} + \vec{P} = \vec{0} \]
où \(\vec{R}\) est la réaction de la route et \(\vec{P}\) le poids de la voiture.
Exercice 2 : Satellite en orbite
Un satellite a un mouvement circulaire uniforme autour de la Terre. Ce mouvement vérifie-t-il le principe d’inertie? Justifier.
Solution :
Non, car le principe d’inertie s’applique seulement aux mouvements rectilignes uniformes. Ici, bien que la vitesse soit constante en norme, sa direction change continuellement (mouvement accéléré).
La force gravitationnelle centripète provoque cette accélération.
Exercice 3 : Passager dans un véhicule
Lorsqu’une voiture freine brusquement, les passagers sont projetés vers l’avant. Expliquer ce phénomène avec le principe d’inertie.
Solution :
Par inertie, les passagers tendent à conserver leur mouvement rectiligne uniforme (1ère loi de Newton). Quand la voiture freine (mouvement décéléré), les passagers continuent leur mouvement vers l’avant jusqu’à ce que la ceinture de sécurité exerce une force pour les arrêter.
Exercice 4 : Objet lancé dans l’espace
Un astronaute lance une boîte dans l’espace (vide parfait). Décrire son mouvement ultérieur selon le principe d’inertie.
Solution :
En l’absence de forces (frottements, gravité…), la boîte conservera indéfiniment un mouvement rectiligne uniforme selon la 1ère loi de Newton (déplacement à vitesse constante en ligne droite).
Exercice 5 : Chute libre sans frottement
Une pierre est lâchée sans vitesse initiale. Son mouvement est-il en accord avec le principe d’inertie? Justifier.
Solution :
Non, car le principe d’inertie ne s’applique qu’en l’absence de force ou lorsque les forces se compensent. Ici, le poids de la pierre (non compensé) provoque une accélération (mouvement uniformément accéléré).
Exercice 6 : Disque en rotation
Un disque tourne à vitesse angulaire constante. Un point sur son bord vérifie-t-il le principe d’inertie?
Solution :
Non, car bien que la vitesse angulaire soit constante, la direction du vecteur vitesse change continuellement (accélération centripète). Le principe d’inertie ne s’applique qu’aux mouvements rectilignes uniformes.
Exercice 7 : Navette spatiale moteurs coupés
Une navette spatiale coupe ses moteurs en mouvement. Décrire son mouvement ultérieur dans l’espace intersidéral.
Solution :
En l’absence de force (frottement quasi-nul dans l’espace), la navette conservera un mouvement rectiligne uniforme (vitesse constante en direction et en norme) selon la 1ère loi de Newton.
Exercice 8 : Hockey sur glace
Un palet de hockey glisse sur la glace. Pourquoi parcourt-il une plus grande distance qu’un même palet sur du béton?
Solution :
Sur la glace, les frottements sont très faibles. Le palet se rapproche donc d’un système isolé (ΣF ≈ 0) et son mouvement dure plus longtemps (tend vers un mouvement rectiligne uniforme). Sur béton, les frottements importants font rapidement cesser le mouvement.
Exercice 9 : Ascenseur à vitesse constante
Un ascenseur monte à vitesse constante. La tension du câble est-elle égale, supérieure ou inférieure au poids de la cabine?
Solution :
D’après le principe d’inertie, comme le mouvement est uniforme (vitesse constante), les forces se compensent :
\[ \vec{T} + \vec{P} = \vec{0} \Rightarrow T = P \]
La tension est donc égale au poids.
Exercice 10 : Bille dans un tube
Une bille roule à vitesse constante dans un tube horizontal. Que peut-on dire des forces qui s’exercent sur elle?
Solution :
D’après le principe d’inertie, comme le mouvement est rectiligne uniforme, la somme des forces est nulle. Les forces verticales (poids et réaction) se compensent, et les forces horizontales (frottements éventuels) doivent être nulles ou se compenser.
