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Mouvement harmonique simple (MHS)

Un mouvement qui se répète après un temps fixe est périodique. Si l'objet va et vient autour d'un point central et que la force qui le ramène est proportionnelle à sa distance à ce point (F = −kx), le mouvement est harmonique simple. Sa position est x = A sin(ωt + φ), avec ω = 2π/T = 2πf. La vitesse est maximale au centre, l'accélération est maximale aux extrémités, et l'énergie totale ½kA² reste constante.

🎬 L'histoire pas à pas

  1. Une bille va et vient sur un rail. Elle repasse au même endroit encore et encore. Le temps d'un aller-retour complet est la période T. Le nombre d'allers-retours par seconde est la fréquence f = 1/T.
  2. On trace la position x de la bille en fonction du temps. La courbe est une sinusoïde douce : x = A sin(ωt). A est l'amplitude, la plus grande distance au centre.
  3. Une bille qui tourne en cercle à vitesse constante projette une ombre. Cette ombre fait un MHS. La force sur elle pointe toujours vers le centre et grandit avec la distance : F = −kx.
  4. Deux billes ont la même A et la même T, mais l'une est un peu en retard. Ce retard est le déphasage φ. La phase dit où la bille en est dans son cycle.
  5. Au centre, la bille est la plus rapide : l'énergie cinétique est maximale. Aux extrémités, elle s'arrête : l'énergie potentielle est maximale. Le total ½kA² ne change pas.
  6. Jeu libre : change l'amplitude, la période et la phase, et regarde le graphique et les barres d'énergie changer.

Astuce : fais glisser la scène 3D pour la tourner. Utilise deux doigts pour zoomer.

🤔 Les doutes courants, éclaircis

Tout mouvement périodique est-il un MHS ?

Non. Il doit aussi aller et venir, avec une force de rappel vers le centre qui grandit comme la distance (F = −kx).

Pourquoi une sinusoïde apparaît-elle ?

Parce que l'ombre d'un mouvement circulaire régulier est A sin(ωt). Le graphique de la 3D est tracé à partir de la bille en mouvement.

Que veut dire le signe moins dans F = −kx ?

La force est toujours opposée au déplacement, donc dirigée vers le centre. Regarde la flèche rouge changer de côté.

Pourquoi la bille ne s'arrête-t-elle pas au centre, où la force est nulle ?

Elle y arrive avec sa plus grande vitesse. Force nulle veut dire accélération nulle, pas vitesse nulle, donc elle dépasse le centre.

Qu'est-ce que la phase, exactement ?

L'angle (ωt + φ). Il dit à la fois où se trouve le corps et dans quel sens il va. La bille jaune de l'étape 4 a le même mouvement mais une phase différente.

Où va l'énergie aux extrémités ?

Elle est toute stockée sous forme d'énergie potentielle dans le ressort. Elle redevient de l'énergie cinétique quand le corps revient.

Mouvement périodique et oscillatoire

Un mouvement qui se répète après des durées égales est périodique. La Terre qui tourne autour du Soleil et les aiguilles d'une horloge sont périodiques.

Si l'objet va aussi et vient autour d'un point central (la position moyenne ou d'équilibre), le mouvement est oscillatoire. Toute oscillation est périodique, mais tout mouvement périodique n'est pas une oscillation (l'aiguille d'une horloge tourne, elle ne va pas et vient).

Le déplacement en fonction du temps

Le déplacement x est la distance de l'objet au centre, avec un signe (+ d'un côté, − de l'autre). Dans un MHS, x varie avec le temps comme une sinusoïde (ou une cosinusoïde) :

x(t) = A sin(ωt + φ)

Un sinus et un cosinus sont la même courbe, simplement décalée. Donc x = A cos(ωt + φ′) est tout aussi juste, avec un autre φ′.

Le MHS, son équation et le cercle de référence

Le mouvement harmonique simple est un va-et-vient dans lequel la force de rappel (celle qui ramène vers le centre) est proportionnelle au déplacement et de sens opposé :

F = −kx  donc  a = −ω²x, avec ω = √(k/m).

Le signe moins veut dire que la force pointe toujours vers le centre. Forme différentielle : d²x/dt² + ω²x = 0.

Cercle de référence : si un point tourne sur un cercle de rayon A à vitesse angulaire constante ω, son ombre sur un diamètre fait un MHS. C'est pourquoi le même ω apparaît dans le mouvement circulaire et dans le MHS.

Vitesse et accélération

Phase et déphasage

L'angle entier (ωt + φ) s'appelle la phase. Elle donne l'état du mouvement : où se trouve l'objet et dans quel sens il va.

Deux MHS de même ω ont un déphasage Δφ. Si Δφ = 0, ils bougent ensemble (en phase) ; si Δφ = π, ils vont toujours en sens contraire (en opposition de phase). La vitesse est en avance de π/2 sur le déplacement, et l'accélération est en opposition de phase (π) avec le déplacement.

Énergie dans un MHS

Un oscillateur échange de l'énergie entre deux formes et garde le total fixe (sans frottement) :

En x = 0 : K = E, U = 0. En x = ±A : K = 0, U = E. K = U quand x = A/√2. K et U se répètent deux fois par période, donc leur période est T/2.

À toi de jouer : un pendule à la maison

Attache une clé ou un petit caillou à un fil de 1 m et laisse-le osciller un peu. Avec le chronomètre de ton téléphone, mesure la durée de 20 oscillations complètes. Divise par 20 pour obtenir T. Calcule ensuite f = 1/T. Relance maintenant avec une plus grande amplitude (toujours petite) : T ne change presque pas. C'est un signe de MHS. Dans la 3D ci-dessus, bouge le curseur A et vérifie que T reste le même aussi.

Formules et définitions clés

Exemples résolus

1. Un pendule fait 40 oscillations en 20 s. Trouve sa période, sa fréquence et sa pulsation.

T = 20/40 = 0.5 s. f = 1/T = 2 Hz. ω = 2πf = 4π ≈ 12.6 rad/s.

2. x = 0.05 sin(10πt + π/6) m. Trouve l'amplitude, la fréquence, la période et la phase initiale.

On compare avec x = A sin(ωt + φ) : A = 0.05 m, ω = 10π rad/s, donc f = ω/2π = 5 Hz, T = 0.2 s, φ = π/6.

3. Un corps en MHS a A = 4 cm et T = 2 s. Trouve la vitesse maximale et l'accélération maximale.

ω = 2π/T = π rad/s. v_max = Aω = 0.04 × π ≈ 0.126 m/s. a_max = Aω² = 0.04 × π² ≈ 0.395 m/s².

4. Pour le corps de l'exemple précédent, trouve la vitesse quand x = 2 cm.

v = ω√(A² − x²) = π√(0.04² − 0.02²) = π√(0.0012) ≈ π × 0.0346 ≈ 0.109 m/s.

5. Une masse de 0.2 kg fait un MHS avec ω = 5 rad/s et A = 0.1 m. Trouve l'énergie totale et l'énergie cinétique en x = 0.06 m.

k = mω² = 0.2 × 25 = 5 N/m. E = ½kA² = ½ × 5 × 0.01 = 0.025 J. U = ½ × 5 × 0.0036 = 0.009 J, donc K = 0.025 − 0.009 = 0.016 J.

6. Pour quel déplacement l'énergie cinétique est-elle égale à l'énergie potentielle ?

K = U veut dire ½k(A² − x²) = ½kx², donc A² = 2x² et x = ±A/√2 ≈ ±0.71A.

7. Deux MHS : x₁ = 3 sin(ωt) et x₂ = 3 cos(ωt). Trouve le déphasage.

cos(ωt) = sin(ωt + π/2), donc x₂ est en avance de π/2 (90°) sur x₁. Quand l'un est au centre, l'autre est à une extrémité.

8. Lequel est un MHS : (a) a = −9x, (b) a = −9x², (c) a = 9x ?

Seulement (a) : l'accélération est proportionnelle à x et de sens opposé ; ω = √9 = 3 rad/s, T = 2π/3 s. (b) n'est pas proportionnelle à x, (c) pointe en s'éloignant du centre.

Erreurs fréquentes

Quiz d'entraînement

1. Dans un MHS, la force de rappel est :
2. Si T = 0.25 s, la fréquence est :
3. La vitesse dans un MHS est maximale :
4. L'énergie totale d'un oscillateur à ressort est :
5. Le déphasage entre le déplacement et l'accélération dans un MHS est :

Entraînement : réponds toi-même

Écris ou choisis ta réponse, puis appuie sur Vérifier. Prends un indice si tu bloques ; la solution complète s'affiche après ta réponse.

Questions fréquentes

Qu'est-ce que le mouvement harmonique simple, en mots simples ?

Un va-et-vient dans lequel la force qui ramène vers le centre grandit proportionnellement à la distance au centre : F = −kx.

Quelle est l'équation du MHS ?

x = A sin(ωt + φ), ou a = −ω²x pour l'accélération.

L'énergie est-elle conservée dans un MHS ?

Oui, sans frottement l'énergie totale ½kA² reste constante pendant que l'énergie cinétique et l'énergie potentielle s'échangent.

Où c'est enseigné

PolandSzkoła podstawowa, klasa VIIIOscillations and waves
PolandLiceum ogólnokształcące, klasa IIOscillations
PolandLiceum ogólnokształcące, klasa IIOscillations
RomaniaClasa a XI-aMechanical oscillations and waves
RomaniaClasa a XI-aMechanical oscillations and waves
Ukraine10 класMechanics
Ukraine10 класMechanics
CBSE (India)Class 11Oscillations and Waves
England (GCSE, A level)Year 133.6 Further mechanics and thermal physics
USA (Common Core, NGSS, AP)Grade 11Oscillations
USA (Common Core, NGSS, AP)Grade 12Oscillations
Japan高校2年Various motions
South Korea고등학교 2학년Elastic waves and sound
Germany (Bavaria)Jahrgangsstufe 11Oscillations and waves
FranceTerminaleLab sciences: Waves
Russia11 классMechanical oscillations
Russia11 классOscillations and waves
China高二Selective 1 Ch.2 Oscillations

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