La force de Coriolis


Impossible d'ouvrir un ouvrage de météorologie sans rencontrer la notion de (pseudo-)force de Coriolis (voir note1). Et donc pour un marin, impossible de comprendre sans elle la raison physique de l'orientation du vent dans une dépression (loi de Buys-Ballot http://fr.wikipedia.org/wiki/Loi_de_Buys-Ballot) ou de prévoir la force du vent en fonction du champ de pression (vent géostrophique http://fr.wikipedia.org/wiki/Vent_g%C3%A9ostrophique)

Or il est impossible (à ma connaissance) de donner une présentation purement intuitive de cette force. Ce n'est pas un hasard s'il a fallu attendre les travaux de Coriolis en 1835 pour une première présentation, date bien tardive pour la mécanique classique déjà bien constituée au cours du XVIIIe siècle (cf. http://fr.wikipedia.org/wiki/Force_de_Coriolis. Et ce n'est qu'à la fin du XIXe siècle que cette force fit son apparition dans la littérature météorologique et océanographique. On peut lire à ce propos le travail d'A. Persson, The Coriolis Effect – a conflict between common sense and mathematics : http://retro.met.no/english/topics/nomek_2005/coriolis.pdf signalé dans l'article anglais de Wikipédia Coriolis effect.).

Il faut donc une présentation physico-mathématique soignée, ce que cette page tente de faire, avec une attention particulière aux 'rappels' préalables (pour une présentation de la notion de vecteur, voir notre page ../NavigationAstro/vecteur.html

Mais heureusement, dès que les notions d'accélération dans le mouvement circulaire et de force centripète / centrifuge sont maîtrisées, on peut donner une présentation correcte de la force de Coriolis dans le cas particulier important d'un mouvement sur la terre dans la direction ouest - est (voir §2). Et après avoir maîtrisé les notions de moment angulaire et cinétique, il est possible de saisir l'orientation de la force de Coriolis dans un déplacement sur un axe nord-sud (voir §5).


0 - Le produit vectoriel




0.1 Définitions et propriétés

La notion de produit vectoriel est un outil (presque) indispensable pour manipuler facilement des données physiques vectorielles (c'est à dire non-scalaires) dans un espace à deux ou trois dimensions.
Le produit vectoriel n'est pas une découverte ou un théorème, mais juste une manière astucieuse et compacte de représenter des vecteurs dans un espace à plusieurs dimensions.

Par définition, le résultat du produit vectoriel des deux vecteurs OA et OB (donc de même origine O), noté
        OA x OB
(et quelquefois OA Λ OB)
 est un autre vecteur
Ce nouveau vecteur (dont on peut placer l'origine également en O) est tel que
        OA x OB = OA OB sin α u

    - α est l'angle entre les deux vecteurs, compté de OA vers OB, et
    - u est le vecteur unité perpendiculaire au plan AOB.

•  Il est tout d'abord facile de vérifier que le module OA OB sin α de ce nouveau vecteur est l'aire du parallélogramme construit sur OA et OB (fig. 0.1).
En effet, les triangles OBB" et AB'A' sont égaux, et l'aire du parallélogramme OBB'A est la même que celle du rectangle BB'A'B", qui a pour aire OA OB sin α (Fig. 0.1)

•  Le sens de u obéit à la convention (ou règle arbitraire) suivante: imaginons OA comme le manche d'un clé et u comme une tige fileté: u est dans le sens positif lorsqu'en tournant le manche de OA vers OB, on "vise un écrou" sur u (fig. 0.2)
    ProduitVectoriel1            ProduitVectoriel2Unité1
                                    Fig. 0.1                                                                                            Fig. 0.2                                                Fig. 0.3

• Une propriété essentielle du produit vectoriel est
            A
x A = 0
car comme sin(0) = 0, A A sin (0) = 0
Plus généralement, le produit vectoriel de deux vecteurs parallèles est nul: quels que soient les modules, on a sin(0) =0

• Une seconde propriété est que le produit vectoriel est antisymmétrique: en effet,  A x B = - B x A  car sin α = - sin(α)


0.2 Sens négatif ou positif des produits vectoriels des vecteurs unités de l'espace

Considérons la fig. 0.3 qui présente les 3 vecteurs unités de l'espace. En suivant les règles et propriétés énoncés ci-dessus, on a
    i x j = k      d'où    j x i = - k     (par antisymmétrie). De même
    i x k = - j              k x i = j
    j x k  = i               k x j = - i
et
    i x i, j x j, k x k = 0                   (car un vecteur est parallèle à lui-même)

On peut facilement retrouver ces relations par le moyen graphique suivant (fig. 0.4)
Sur un cercle orienté positivement dans le sens inverse du sens de rotation des aiguilles d'une montre, placer i, j, k le long du cercle dans le sens positif.
Le sens du vecteur unité résultat est positif quand on tourne dans le sens positif. Par exemple, j x k donnera i car on tourne dans le sens positif; i x k donnera -j car en allant de i à k pour aboutir à j, on tourne dans le sens négatif; 
                   positif1
                        Fig. 0.4


0.3 Expression du produit vectoriel en fonction des composantes des vecteurs

Soit le vecteur
A
= ax i + ay j + az k
et
B = bx i + by j + bz k

A
x B     = (ax i + ay j +  az k) x (bx i + by j +  bz k)
              =      ax i bx i       = 0
                   + 
ax i by j       = ax by k
                   + ax bz k      = - ax bz j
                   + ay j bx i       = - ay bx k
                   + ay by j       = 0
                   +
ay j bz k      = ay bz i
                   + az k bx i       = az bx j
                   + az k by j      = - az by i
                   + az k bz k     = 0
d'où
        A x B = (ay bz - az by) i + (az b- ax bz) j + (ax by - ay bx) k
            Positif2
                            Fig. 0.5
Pour retrouver les produits de composantes: placez i, j, k avec leurs composantes correspondantes dans le sens positif sur trois cercles concentriques (cf. Fig. 0.5)
Pour trouver les produits positifs, tournez à partir d'un vecteur unité dans le sens positif de l'intérieur et vers l'extérieur.
Pour trouver les produits négatifs, tournez dans le sens négatif de l'intérieur vers l'extérieur (On peut aussi simplement échanger le nom des composantes)
Par exemple :  i : + ay bz , i : - az by  (ou échangez les noms des composantes : ay donne by , bz donne az)

Le produit vectoriel se met quelquefois sous la forme d'un 'déterminant symbolique'
                   |    i           j          k     |
                   |   ax         ay         az    |
                   |   bx         by         bz   |   

Les composantes se calculent 'en croix' de manière cyclique...
        j       k    |    i           j          k     |  i         j
        ay     az   |   ax         ay         az   |  ax      ay
        by     bz  |   bx         by         bz   |  bx       by
De i  sur la première ligne, descendre à droite vers ay puis  bz, qui sont affectés du signe positif
De i  sur la première ligne, descend à gauche vers - az puis - by, qui sont affectés du signe négatif
....
d'où
A
x B = (ay bz az by) i + (az bx - ax bz) j + ( ax by - ay bx) k        



1 - Vitesse et accélération sous la forme d'un produit vectoriel dans le mouvement circulaire uniforme

1.1 Vitesse, accélération et forces centripète et centrifuge

Depuis Newton, on sait qu'en l'absence de force le mouvement d'un corps dans l'espace est rectiligne à vitesse constante (avec, comme cas particulier, l'immobilité ou repos du corps quand la vitesse est nulle).

Tout changement de vitesse et / ou de direction exige donc l'intervention d'une force
.


La force F, la masse m du corps et l'accélération γ qui en résulte sont liés par la relation vectorielle fondamentale qui définit F.
        F
= m γ             (Dans le cas d'une masse unité, on a évidemment Fγ)

Un objet tournant le long d'un cercle est dit animé d'un mouvement circulaire uniforme si le module v = |V| de son vecteur vitesse V est constant.
En revanche, comme la direction de V change continûment, il y a donc nécessairement accélération. En effet, les vecteurs vitesse V et V' au temps t et t' ne sont pas équipollents (même direction, sens et module). Le mouvement n'est donc PAS rectiligne à vitesse constante.

Un mouvement circulaire uniforme suppose donc une accélération, le vecteur vitesse V changeant en effet constamment de direction. Et il y a donc obligatoirement l'intervention d'une force.
La force qui s'applique à un objet dans le mouvement circulaire est appelée force centripète (Fig. 1.1) C'est la force qu'on doit appliquer à un objet fixé au bout d'une cordelette pour le faire tournoyer.




                        Coriolis7        Coriolis7bis
                                                 Fig. 1.1                                                                                                     Fig. 1.2

Nous verrons que la force centripète est dirigée vers le centre du cercle. Sans entrer maintenant dans le détail de son calcul, regardons la figure 1.2. Au temps t, supposons que l'objet qui se déplace le long d'un cercle est au point A. Au temps t', il est en A'. V et V' sont les vecteurs vitesse à ces deux instants. Pour calculer le vecteur différence V' - V (qui correspond dans le cas d'un intervalle de temps Δt très petit au ΔV de l'accélération ΔV /Δt), il faut évidemment donner une origine commune aux deux vecteurs. Ce vecteur différence, lié à la force centripète, est en rouge sur la figure 1.2: il est visiblement tourné vers l'intérieur du cercle.

Mais supposons maintenant que je sois assis sur le siège d'un manège en rotation à vitesse constante. Pour me faire décrire un cercle, le siège doit exercer sur moi une force centripète, sinon je poursuivrais le mouvement en ligne droite. Mais ce que je ressens subjectivement, parce que j'ai l'impression "d'aller tout droit", c'est une 'force' qui me donne l'impression d'être expulsé vers l'extérieur. Cette (pseudo-)force est la force centrifuge. Elle n'a pas d'existence physique, d'où le terme 'pseudo-' (qu'il faudrait systématiquement employer).  Elle est liée au fait que je considère subjectivement que je suis 'au centre du monde' et que je me déplace en ligne droite, soumis à une force, la force centrifuge, qui tend à m'expulser vers l'extérieur.


1.2 Forme vectorielle de la vitesse du mouvement circulaire uniforme

De la manière la plus générale possible, une vitesse v, en termes scalaires, est définie comme la limite du rapport de la distance parcourue ΔD au temps du déplacement Δt, c'est-à-dire ΔD / Δt, quand Δt tend vers 0 (Δt → 0).
On note cette limite dD / dt, d'où  v = dD / dt

Dans le cas particulier du mouvement circulaire uniforme, la vitesse (scalaire) v est la quantité constante
        v = ds / dt                         (d'où ds = v dt)
où ds est un déplacement infinitésimal sur un cercle (Fig. 1.3).
Comme ds est égal à R dθ (par définition même de la notion d'angle), dθ étant l'angle interceptant ds, on peut écrire
    v =  R dθ / dt
                Cercle1        
                                        Fig. 1.3

La quantité ω = dθ / dt est appelée vitesse angulaire: elle s'exprime en radian s-1 (mais voir note 2)
On a donc la relation scalaire
                                    vω R
donc
                                     ω = v / R
où v, ω et R sont constants.

Il est fécond de représenter la vitesse par le vecteur vitesse V (dont l'origine a été placée arbitrairement sur la figure 1.3 'au milieu' de ds): en effet, une vitesse a bien un module, une direction et un sens. Il est intuitivement clair que le vecteur V, de module v = |V|, est dans le plan du cercle de centre C et qu'il est perpendiculaire au rayon R, car il est tangent au cercle.

On peut enfin mettre V sous la forme d'un produit vectoriel par la construction fondamentale suivante :
Soit un cercle de centre C et de rayon R.
Soit ω le vecteur vitesse angulaire de module |ω| = ω (en noir sur la figure 4). Par convention, on lui impose un direction perpendiculaire au cercle dans le sens positif  (et on place son origine en C).
Soit r = OA un vecteur dont l'origine est un point O arbitraire sur la perpendiculaire au cercle passant par C et dont l'extrémité est un point A du cercle. O est donc sur la droite support de ω.
Considérons maintenent les deux vecteurs équipollents à ω et ayant leur origine en A sur le cercle, donc à l'extrémité d'un rayon R passant par A (en gris sur la fig. 1.4). Ils sont dans un plan qui contient R. Soit enfin γ l'angle entre ω et r.

                    
                        ProduitVectoriel2bis.gif
                                                                            Fig. 1.4

Comme R = r sin γ, le produit vectoriel ω x r vaut ω r sin γ u , c'est-à-dire ω R u
D'après la définition du produit vectoriel, le vecteur unité u est dirigé perpendiculairement au plan contenant ces deux vecteurs, donc perpendiculaire à R : il a bien même direction que V, qui est aussi perpendiculaire à R. On peut donc écrire en termes vectoriels
                V = ω x r  =  ω R u

Notons que si O est confondu avec C, γ vaut π/2, d'où sin γ = 1, et |r| vaut R. On retrouve bien la relation scalaire V = ω R.


1.3 Forme vectorielle de l'accélération du mouvement circulaire uniforme

Nous avons vu que comme le mouvement circulaire n'est pas rectiligne, il y a nécessairement intervention d'une force faisant varier la direction de V
L'accélération A (de module |A| = a) est donné par définition par la limite de (Vt+Δt - Vt ) / Δ t  quand Δt → 0, notée dV / dt
Vet V t+Δt sont notés V1 et V2 à la figure 1.5.
                    Accelaration1

                                               Fig 1.5                                                           Fig. 1.6

Montrons que  l'angle entre les directions de V1 et V2 vaut dθ. 
Traçons la droite parallèle à V2 passant par A, qui coupe le rayon CB en D. Comme l'angle CDA est droit car AD est parallèle à V2, qui est perpendiculaire à CB, l'angle CAD vaut π/2 - dθ. Comme V1 est perpendiculaire à CA, l'angle entre les directions de V1 et V2 vaut  π/2 - CAD =  π/2 - (π/2 - dθ) = dθ.
Construisons maintenent le vecteur différence dV = V2 - V1 à partir d'un point arbitraire O (Fig. 1.6)
Le triangle CAB et le triangle formé pour la construction de dV = V2 - V1 sont semblables : ils sont tous deux isocèles (|V1|= |V2|) et les angles en C et O sont égaux.
Notons dv le module de |dV|
En assimilant la corde AB et l'arc de cercle AB, puisque les angles sont petits, on a les proportions
        dv / v = ds / R
Comme ds = v dt, on peut écrire
       dv / v =  v dt / R
d'où on tire que dv / dt, noté a, vaut v² / R
Enfin, comme v =  R ω, on a, en termes scalaires
                a = v² / Rω² R
Cette accélération est dirigée vers le centre du cercle, car l'angle dθ → 0. Elle est appelée accélération centripète, créée par une force dite centrale, car dirigée vers le centre du cercle. 

Montrons maintenant que le vecteur accélération A est égal à ω x V (= ω v sin δ u') où δ est l'angle entre ω et V (Fig. 1.7)

                Accélération2
                                                Fig. 1.7

Comme ω et V sont perpendiculaires (on a en effet imposé à ω d'être perpendiculaire au plan contenant le cercle, et V est dans ce plan) , δ = π/2  et sin δ = 1, donc
    A = ω x V = ω v u'
u', le vecteur unité associé à A, est perpendiculaire à V, donc le long d'un rayon: il est bien dirigé vers le centre du cercle, car en tournant de ω à V, on "visse un boulon sur la tige filetée" u'
De plus, v  =  R ω, d'où
            A = ω
x V = ω R ω u' =  ω² R u'
ce qui est le résultat cherché.
Comme V = ω x r, on peut aussi écrire
        A = ω x (ω x r)
Les parenthèses sont nécessaires pour interdire d'interpréter ce produit vectoriel comme ω) x r qui serait nul, ω étant parallèle à lui même.

Il existe une dernière notation simple qui sera utilisée dans les paragraphes suivants :
On vient de voir que A est égal à  R ω² u', où u' est le vecteur unité orienté de la circonférence vers le centre du cercle.
Soit R le vecteur rayon, allant du centre du cercle vers A sur la la circonférence : on a donc R =  - R u'.  L'accélération peut alors s'écrire
    A = - ω² R
La (pseudo-)force centrifuge A', de sens opposé, aura donc pour expression A' = ω² R

La figure 1.8 et le tableau suivants récapitulent les différents résultats obtenus.

                            ProduitVectoriel4bis
                                                       Fig. 1.8
            En termes scalaires                                                En termes vectoriels                                                                                                 
    v =   ω  R                                                      V = ω x r  =  ω R u
    a = v² / R =   ω²  R                                 A = ω x V ω x (ω x r) = ω² R u' = - ω² R



2 - La force de Coriolis : le cas particulier d'un déplacement est-ouest

On trouve dans le livre de J.R. Holton 'An Introduction to Dynamic Meteorology' (p. 14 de la 4e édition, 2004), une présentation astucieuse de la force de Coriolis dans le cas particulier d'une corps se déplaçant vers l'est (ou l'ouest) à la surface de la terre.

Considérons une particule de masse unité pouvant se déplacer (sans friction) à la surface de la Terre. Dans ces conditions, F = accélération.
Soit Ω la vitesse angulaire de la Terre, qui tourne vers l'est, et r le vecteur position 'horizontal', c'est-à-dire dans le plan du cercle de latitude, allant de l'axe de rotation du globe à la particule (voir fig. 2.3). (Le symbole Ω est usuel en météorologie). Le module de r vaut R cos Latitude, avec R le rayon terrestre (R ≈ 6370 km = 40 000 km / 2*π ). A la latitude 45° par exemple, r ≈ 4500 km (= 6370 cos (π/4))

Lorsque la particule est au repos par rapport à la Terre, les seules forces agissant sur cette masse, du point de vue d'un observateur sur Terre, sont la force de gravité et la (pseudo-)force centrifuge F = Ω² r, liée à la rotation de la Terre, car cette particule tourne le long d'un cercle de rayon r.

Supposons maintenant que cette même particule soit en mouvement vers l'est (donc dans le même sens que la rotation de la Terre) à une vitesse constante non nulle v (fig. 2.3). 
Comme la particule tourne maintenant autour du globe à une vitesse supérieure à la vitesse de la rotation de la Terre, la force centrifuge est plus importante.
Cette vitesse angulaire supplémentaire ω étant égale à v / r, la force centrifuge totale vaut donc 
            (Ω + ω)² r = (Ω + v / r)² r = Ω² r + (v² / r²) r + (2 Ω v / r) r

•  Le premier terme, Ω² r, est la force centrifuge par unité de masse due à la rotation uniforme de la Terre.
A l'équateur, un point décrit un cercle d'environ 40 000 km en 24 h, soit une vitesse vEq d'environ 465 m/s (1674 km/h). L'ordre de grandeur de ω = vEq / R est donc de 7 x 10-5 rd / s. Pour une masse unité, la force centrifuge à l'équateur valant vEq² / R , l'ordre de grandeur est de 0,03 N, soit une diminution d'environ 3 grammes pour une masse de 1 kg. On notera que cette force centrifuge n'est PAS orientée le long de la verticale du lieu z sauf à l'Equateur (voir Fig. 2.3). Elle fait un angle égal à la latitude avec la verticale du lieu, donc un angle π/2 - Lat avec l'horizon h, en direction du sud dans l'hémisphère nord. L'effet de la force centrifuge est maximal à l'équateur, et nul aux pôles. Ajouter vectoriellement à g*, notation classique de la force gravitationnelle due à la seule masse de la Terre, cette force centrifude définit g, notation classique de la force gravitationnelle "effective", qui définit à son tour la surface de l'ellipsoïde du globe terrestre, qui lui est en tout point perpendiculaire (fig. 2.1) (voir note 3). A la latitude 45°, g diffère de g* d'environ un dixième de degré.
Les mesures expérimentales montrent que cette force centrifuge rend compte d'un peu plus de la moitié de la variation observée de la valeur de g (9,83 N/kg aux pôles contre 9,78 N/kg à l'équateur, soit une différence d'environ 0,05 N, 5 grammes pour une masse de 1 kg). C'est la non-sphéricité de la Terre, un rayon équatorial mesurant en effet environ 21 km de plus qu'un rayon polaire, qui est responsable du reste. C'est d'ailleurs l'action de la force centrifuge sur un Terre encore plastique au début de sa formation qui explique cet aplatissement aux poles et ce gonflement à l'équateur.


                                                                            Gravity1

                                                                                                                   Fig 2.1
L'analyse détaillée des valeurs de la gravité en de très nombreux points du globe permet enfin de mesurer la forme exacte de la Terre, ou géoïde, qui ne diffère de l'ellipsoïde que par un ensemble de 'bosses' et 'creux' d'au plus une centaine de mètres (Fig. 2.2). Les GPS tiennent compte de l'altitude du géoïde par rapport à l'ellipsoïde WGS84 dans le calcul de l'altitude d'un lieu.
                                                          EGM08_Geoid_thumb
                                                                                                       Fig. 2.2

Les deux autres termes de la relation représentent des forces 'déflectrices', agissant vers l'extérieur du globe, dans la direction de r.

  Si ω = v / r est petit par rapport à Ω, le terme en (v / r)² est négligeable.
La circonférence décrite en 24 h dans un lieu à  45° de latitude vaut 28000 km environ, ce qui correspond à une vitesse d'environ 1170 km /h (325 m/s). Une vitesse de quelques dizaines de km/h (30 km = 8 m/s) , typique pour les phénomènes météorologique, est effectivement  faible de ce point de vue. Le rapport (v / r)² est dans ce cas de l'ordre de 6 x 10-4.
 
• La force C = (2
Ω v / r) r par unité de masse est la force de Coriolis.
Elle est dans le plan du cercle de latitude. Son module vaut (2 Ω v / r) r =  2 Ω v  (La dimension de cette force par unité de masse est bien celle d'une accélération :   (T-1) ( LT-1) (L-1) (L) = L T-2 )

                   CoriolisHoltonCoriolisHolton3

                                                                                                                             Fig. 2.3

La force de Coriolis peut être décomposée en deux vecteurs, l'un vertical, vers le zénith de la position de la particule, et l'autre dit méridional, vers l'horizon du lieu, dans une direction nord-sud.
Dans la direction du zénith, le module de la force de Coriolis vaut 2 v Ω cos Lat. Cette composante tend à 'alléger' la particule se déplaçant vers l'est.
Dans la direction méridienne, le module de la force de Coriolis pour une masse unité vaut 2 v Ω sin Lat. Cette force est dirigée vers le sud, à 'droite' donc de la trajectoire vers l'est.
Notons que cette composante est nulle à l'équateur (Lat = 0°, car sin Lat = sin 0 = 0)

La magnitude de la composante méridionale de la force de Coriolis est de l'ordre de 10-2 ms-2, mille fois plus petite que celle liée à l'accélération de la pesanteur (environ 10 ms-2). Mais son application pendant des heures, ou même des jours, produit une déviation marquée de la trajectoire d'un phénomène météorologique comme le vent soufflant d'une zone de haute pression vers une zone de basse pression.

Il est facile de montrer que si le mouvement de la particule se fait en sens inverse, vers l'ouest, la force méridienne est dirigée vers le nord (Fig. 2.4). En effet,
(Ω - ω)² r = (Ω - v / r)² r = Ω² r + v² / R² r - (2 Ω v / r) r
                 CoriolisNorton2
                                                                            Fig. 2.4

La force de Coriolis est dans ce cas orientée vers l'axe de rotation de la Terre. La composante verticale, orientée vers le centre de la Terre, tend à 'alourdir' la particule. La composante méridienne est orientée vers le nord, toujours à droite de la trajectoire.

Dans le cas d'un mouvement vers le nord ou le sud, il existe une autre présentation faisant appel à la notion physique de conservation du moment cinétique. On montre que la force de Coriolis est orientée vers l'est quand le déplacement est vers le nord, et vers l'ouest quand il se produit vers le sud (voir §5 plus bas)

En résumé, toute particule en mouvement dans l'hémisphère nord est déviée vers sa droite, et vers sa gauche dans l'hémisphère sud.

Nous allons maintenant poursuivre pour donner une présentation plus générale. 

3 - Rappel : le mouvement relatif

Nous allons voir que la description d'un mouvement dépend du système de référence (ou système d'axes) choisie par l'observateur.
Comme deux observateurs peuvent choisir des systèmes de référence différents, il est crucial de savoir transformer les descriptions faite à partir d'un système à celles faites à partir d'un autre afin de décider s'il s'agit par exemple du même mouvement.
Beaucoup d'observations faites sur terre le sont dans un système lié à la terre, qui se déplace donc avec elle. Nous verrons que la description n'est pas la même si elle est faite à partir de point fixe de l'espace, où la terre est un objet tournoyant sur lui-même.


3.1 - Vitesse et accélération relative

Avant d'entrer dans le vif du sujet, il faut définir ce qu'on appelle vitesse et accélération relative. 
Considérons deux objets A et B et un observateur en O utilisant comme système de référence les axes OX, OY et OZ de la figure 3.1.
Par rapport à O, la position des objets est donnée par les vecteurs rA et  rB. Les deux objets ont par définition pour vitesse VA = drA / dt et VB = drB / dt
On appelle vitesse relative de B par rapport à A VBA la variation du vecteur rBA =  rB - rA d'origine A et d'extrémité B : VBA  = drBA / dt

            VitesseRel1
                                                                                    Fig. 3.1

De même, la vitesse relative de A par rapport à B VAB est donnée par la variation du vecteur rAB = - rBA = rA - rB  d'origine B et et d'extrémité A :
V
AB  = drAB / dt
Comme  rAB = - rBA , on a
    V
BA  = - VAB 
La vitesse de B par rapport à A est égale et opposée à la vitesse de A par rapport à B.
Soit une personne A sur un quai faisant face à une personne B dans un train qui démarre. Elles fixent (arbitrairement) le sens positif vers la droite de A : A tient une flèche dans le sens positif, donc vers sa droite. Si A voit B partir sur sa droite, dans le sens positif de la flèche à une vitesse VBA, alors B voit A partir dans le sens inverse de celui de la flèche, le sens négatif, à une vitesse opposée VAB  = - VBA.

On peut obtenir la vitesse relative de B par rapport à A en dérivant par rapport au temps rBA =  rB - rA
           drBA / dt = dr/ dt - / drA / dt  = VBA  = VB - VA 
En dérivant par rapport au temps rAB = rA - rB   on obtient la vitesse relative de A par rapport à B
           drAB / dt = drA / dt - / drB / dt  = VAB  = VA - VB
et on a bien VBA  = - VAB
Donc, pour obtenir la vitesse relative de deux corps, on soustrait leurs vitesses par rapport à l'observateur.

D'une manière similaire, on peut obtenir l'accélération de B par rapport à A, noté aBA, en dérivant VBA = VB - VA 
        aBA =  dVBA / dt = dVB / dt - dVA / dt
Les termes du second membre sont l'accélération de B et l'accélération de A, aB et aA, d'où
        aBAaB - aA
On aura de même
        aABaA - aB
Donc, pour obtenir l'accélération relative de deux corps, on soustrait leurs accélération par rapport à l'observateur.


3.2 - Mouvement relatif uniforme de translation

Considérons deux observateurs O et O' qui se déplacent l'un par rapport à l'autre d'un mouvement de translation uniforme (c'est-à-dire qu'ils ne tournent pas l'un par rapport à l'autre). L'observateur O voit donc l'observateur O' se déplacer à la vitesse v, alors que O' voit O se déplacer à la vitesse - v.
Nous voulons comparer leur description d'un objet mobile.
Pour des raisons de simplicité, choisissons comme axe OX et OX' la droite du mouvement relatif, et les axes OY et OY', ainsi que OZ et OZ' parallèles entre eux (fig. 3.2).

                    VitesseRel2
                                                                                Fig. 3.2

Nous supposerons qu'au temps t = 0, O et O' sont confondus. En appelant v la vitesse relative constante, nous avons alors OO' = vt.
Soit un objet au point A, avec OA = r, et O'A = r'. On a OA = OO' + O'A soit r = vt + r', ou encore
        rr - vt  
Cette relation vectorielle peut être décomposée selon ses trois composantes, en tenant compte du fait que v est parallèle a OX.
        x' = x - vt
        y' = y
        z = z'
C'est la  transformation de Galilée  (qui présuppose, il faut le noter,  t = t', l'invariance du temps pour deux observateurs en mouvement relatif uniforme de translation)
La vitesse V de A par rapport à O est définie par
        V = dr / dt
La vitesse V' de A par rapport à O' est définie par
        V' = dr' / dt           
Comme rr - vt , avec v constant, V' peut encore s'écrire V' = d(r - vt ) / dt =  dr / dt - v d'où
            V' = V - v
Cette équation (ou son équivalent en termes de composantes : V'x = Vx - v ; V'y = Vy; V'z = Vz)  donne la règle de Galilée pour comparer les vitesses d'un objet mesurées par deux observateurs en mouvement relatif de translation
Si A se déplace parallèlement à OX, alors nous avons simplement V' = V - v

Calculons maintenant les accélérations.
L'accélération de A par rapport à O est a = dV / dt
L'accélération de A par rapport à O' est a' = dV' / dt
Comme V' = V - v, a' = dV / dt - v / dt. Comme v est constant, on obtient a' = dV / dt et
        a = a'
Les deux observateurs en mouvement relatif uniforme de translation mesurent la même accélération 
L'accélération reste invariante quand on passe d'un système de référence à un autre qui est en mouvement uniforme de translation par rapport au premier.


4 - Mouvement relatif uniforme de rotation : la force de Coriolis

Inspiré de la démonstration sur  http://www.sciences.ch/htmlfr/mecanique/mecanclassique02.php
 
Considérons un référentiel fixe X, Y, Z d'origine O et un référentiel mobile xyz d'origine o en mouvement relatif.
Il s'agit d'exprimer la vitesse et l'accélération d'un point P de l'espace au moyen des coordonnées ( = composantes) liées au référentiel fixe (coordonnées dites absolues) à partir des coordonnées liées au référentiel mobile (coordonnées dites relatives) et du mouvement (dit mouvement d'entraînement) du référentiel mobile. Nous envisagerons particulièrement une rotation du référentiel mobile xyz. (Fig. 4.1).
                Coriolis1
                                                                        Fig. 4.1

La position du point P est donnée par une "relation de composition des position"

Soit r le vecteur de position de o par rapport à l'origine du référentiel fixe O
Soit r est le vecteur de position de P par rapport au référentiel mobile
ra  est le vecteur de position de P par rapport au référentiel fixe
P a pour composante x, y et z dans le référentiel mobile (r (= oP) =  xi + yj + zk)
Si P se déplace en fonction du temps, x, y et z sont des fonctions du temps : x = x(t), y = y(t) et z = z(t).
On a
            ra r + r


4.1 Vitesse absolue

La vitesse absolue va de P est par définition
      va  = dr / dt
            = d(r+ r) / dt
            = dr/ dt + dr / dt
            = dr/ dt + d(xi + yj + zk) / dt

      va  = vo + d(xi + yj + zk) / dt

v
o = dρ / dt est la vitesse dite d'entraînement du référentiel mobile : c'est la vitesse de déplacement du référentiel xyz par rapport à O.

Si le référentiel xyz est en rotation, i, j et k varient en fonction du temps et il faut les traiter comme des fonctions : i = i(t), j = j(t) et k = k(t)
Le second terme est alors la dérivée d'une somme de produits de fonctions de t (cf. d(f(x)g(x)) / dx = f'(x)g(x) + g'(x)f(x))  d'où
d(xi + yj + zk) / dt = (dx/ dt i  + dy / dt j + dz / dt k)  + (x di / dt + y dj/ dt + z dk / dt)
et
    va   = vo + (dx/ dt i  + dy / dt j + dz / dt k)  + (x di / dt + y dj/ dt + z dk / dt)

La second terme représente la vitesse relative vr, c'est-à-dire la vitesse de P par rapport au référentiel mobile xyz (cette vitesse est supposé connue), d'où

    va = vo + vr  + (x di / dt + y dj / dt + z dk / dt)

Le dernier terme est la contribution à la vitesse absolue de la rotation du référentiel mobile.
Il s'agit maintenant d'exprimer la valeur de cette contribution.
Posons di, dj et dk en termes de composantes
di / dt  = a i + b j + c k
dj / dt  = d i + e j + f k
dk / dt  = g i + h j + i k
Il est certain que les valeurs de ces composantes ne sont pas indépendantes car i, j et k restent toujours perpendiculaires deux à deux.
            Coriolis4
                                                        Fig. 4.2

A - On peut noter (Fig. 4.2) que di / dt est perpendiculaire à i, d'où i di / dt = 0. On a de même j dj / dt  et k dk / dt
d'où
i di / dt = i(a i + b j + c k) = a = 0
j dj / dt = j(d i + e j + f k) = e = 0
k dk / dt = k(g i + h j + i k) = i = 0
et
di / dt  = b j + c k
dj / dt  = d i + f k
dk / dt  = g i + h j

B - On peut noter que i dj / dt = - j di / dt car si l'angle entre i et dj / dt vaut α, l'angle entre dj / dt et i vaut (π - α), d'où i dj /dt + j di / dt = 0
On a de même i dk /dt + k di / dt = 0 et j dk /dt + k dj / dt = 0
d'où
i dj /dt + j di / dt = 0 = i(d i + f k) + j(b j + c k) = (d + b), d'où d = - b
i dk /dt + k di / dt = 0 = i(g i + h j) + k(b j + c k) = g + c, d'où c = - g
j dk /dt + k dj / dt = 0 = j (g i + h j) + k (d i + f k) = h + f, d'où h = - f
d'où
di / dt  = b j - g k
dj / dt  = -b i + f k
dk / dt  = g i - f j
On a donc
(x di / dt + y dj / dt + z dk / dt) = x(b j - g k) + y(-b i + f k) + z(g i - f j) = i (gz - by ) + j (bx - fz ) + k (fy - gx)
En posant ω = (fi + gj + bk) = ( ωxi ωyj ωzk) ,  il est clair que (x di / dt + y dj / dt + z dk / dt) est le produit vectoriel  ω x r 
Ce résultat n'est pas surprenant quand on regarde la figure 4.3

                Coriolis6
                                                        Fig. 4.3

On voit que di / dt se construit comme une vecteur vitesse. Il vaut donc ω x i.

On obtient finalement
                 va = vo + vr  +  ω x r

La vitesse absolue 
va  est égale à la somme
- de la  vitesse d'entraînement 
vo du référentiel mobile,
- de la vitesse du point 
vr dans le référentiel mobile et  
- de la vitesse de rotation
ω x r du référentiel mobile.

On constate, comme nous le savons déjà, que si la vitesse de rotation est nulle (ω = 0), la vitesse absolue est égale à la vitesse d'entraînement du référentiel mobile et de la vitesse du point dans le référentiel mobile : va = ve + vr (transformation de Galilée).


4.2 Accélération absolue et force de Coriolis

On peut maintenant chercher le rapport entre l'accélération absolue et les accélérations découlant du déplacement du référentiel mobile.

Par définition
        aa = dvo / dt + dvr/dt  + d(ω x r) / dt

- On peut écrire immédiatement d(vo) / dt = ao car on est dans le repère fixe.

- Le dernier terme vaut d(z ωy - y ωz) i / dt + d(x ωz - z ωx ) j / dt + d(y ω- x ωy) k / dt
Sachant que x, y et z, les coordonnées de ω ainsi que i, j et k, sont des fonctions du temps, un développement pénible donne
d(z ωy - y ωz) i / dt + d(x ωz - z ωx ) j / dt + d(y ω- x ωy) k / dt  =
    dz / dt ωy i + dωy / dt z i  + di / dt z ωy - dy / dt ωz i - dωz / dt y i  - di / dt y ωz +
    dx / dt ωz j + dωz / dt x j  + dj / dt x ωz - dz / dt ωx j - dωx / dt z j  - dj / dt z ωx +
    dy / dt ωx k + dωx / dt y k  + dk / dt y ωx - dx / dt ωy k - dωy / dt x k  - dk / dt x ωy

On peut regrouper les termes en dx / dt, dy / dt et dz / dt

dz / dt ωy i - dy / dt ωz i + dx / dt ωz j - dz / dt ωx j + dy / dt ωx k - dx / dt ωy k
=  (dz / dt ωy - dy / dt ωz) i + (dx / dt ωz - dz / dt ωx) j + (dy / dt ωx - dx / dt ωy) k  =  ωvr                                                       

On peut regrouper les termes en dω
y / dt z i  - dωz / dt y i + dωz / dt x j - dωx / dt z j + dωx / dt y k - dωy / dt x k
=
(dωy / dt z - dωz / dt y) i + (dωz / dt x - dωx / dt z) j + (dωx / dt y - dωy / dt x) k = dω / dt x r

Il reste à regrouper les termes en du / dt
di / dt z ωy  - di / dt y ωz + dj / dt x ωz - dj / dt z ωx + dk / dt y ωx - dk / dt x ωy
= di / dt (z ωyy ωz) + dj / dt (x ωz z ωx) + dk / dt (y ωx - dk / dt x ωy)
On sait qu'on a  
di / dt = ωz j - ωy k
dj / dt = ωx k - ωz i
dk / dt = ωy i - ωx j
d'où
(ωz j - ωy k) (z ωyy ωz) + (ωx k - ωz i) (x ωz z ωx) + (ωy i - ωx j) (y ωxx ωy)
= ωz (z ωyy ωz) j - ω (z ωyy ωz) k + (ωx (x ωz z ωx) k - ωz (x ωz z ωx) i + (ωy (y ωxx ωy) i - ωx(y ωxx ωy) j
= (ωy - ωz )(y ωxx ωy) i + (ωz - ωx)(z ωyy ωz) j + (ωx - ω) (x ωz z ωx) k = ω x (ω x r

L'accélération absolue s'écrit à ce stade
aa = ao + dvr / dt  + ωvr  + dω / dt x r + ω x (ω x r

Reste à calculer dvr / dt : on sait que vr = dx / dt i + dy / dt j + dz / dt k
d'où
dvr / dt = d / dt (dx / dt i + dy / dt j + dz / dt k)
Sachant que i, j et k sont fonctions du temps
dvr / dt = (d²x / dt² i + d²y / dt² j + d²z / dt² k) + (dx / dt di / dt + dy / dt dj / dt + dz / dt dk / dt)
= arω dr / dt = arω x vr

L'accélération absolue est donc donnée par
aa = aoar + 2 ωvr  + dω / dt x r + ω x (ω x r
On reconnait
- L'accélération centripère ω x (ω x r )
- L'accélération dite de Coriolis 2 ωvr , du nom du physicien l'ayant identifié pour la première fois.
- un dernier terme qui dépend de la dérivée temporelle de ω. Si ω est constant dans le temps, ce qui est le cas de la rotation terrestre, ce terme est nul.

Notons dès maintenant que si  ω = 0 , l'accélération absolue vaut aa = aoar.
De plus, si les observateurs sont en mouvement relatif uniforme de translation, a est nul, et ils mesurent la même accélération :  aa =  ar



5 -Moment angulaire, cinétique et d'inertie

Ces notions sont indispensables pour comprendre pourquoi, dans l'hémisphère nord, un objet de déplaçant vers le nord est dévié vers l'est par la force de Coriolis, alors qu'il dévié vers l'Ouest s'il se dirige vers lesud.

1 - Moment angulaire (torque)
            τr × F

La valeur scalaire (c'est-à-dire numérique) du moment angulaire τ (tau) d'une force (anglais US torque, britannique moment) est définie comme le produit
- de la valeur d'une force F appliquée perpendiculairement sur un levier
par
- la distance r appelée 'bras de levier' entre le point d'application de la force et le pivot du levier (Fig. 5.1).

                          τ ≡ r  F

                               Pic/Moment1.jpg
                                                                            Fig. 5.1

Mais pour utiliser pleinement la notion de moment angulaire, il est (presque) indispensable de définir le moment angulaire comme un vecteur.

Le vecteur moment angulaire est défini comme le produit vectoriel d'une force F par le vecteur position r entre le pivot et le point d'application de la force (Fig.5.2).
La direction du vecteur moment angulaire est de ce fait perpendiculaire au plan contenant r et F
Sur la figure 5.2, nous avons placé arbitrairement l'origine du vecteur moment angulaire sur le pivot; ce vecteur n'a pas d'existence physique et ne représente certainement pas une force.

        τr × F
                  Pic/Moment2.jpg   Moment8
                                                 Fig. 5.2                                                                                                                              Fig. 5.3

L'orientation de la force détermine le 'sens de rotation' du levier. Le sens positif (négatif) du vecteur est le sens utilisé pour (dé)visser un écrou sur le vecteur moment angulaire vu comme une tige filetée: il est positif sur les figures 5.2 et 5.3 et négatif sur la figure 5.4.

De la définition du produit vectoriel, on tire immédiatement que le module du moment angulaire est donné par
          τ = r F sin θ

où θ est l'angle entre le vecteur position r et la force F (Fig. 5.2, Fig 5.3).
Si la force F est perpendiculaire au bras de levier (F), on retrouve bien la première définition τ = r F, car sin(π/2) = 1.

       Pic/Moment3.jpg
                                                                         Fig. 5.4

On en déduit immédiatement qu'une force parallèle au vecteur position ne produira pas de moment car sin (0) (et sin (π)) sont nuls. C'est évidemment le cas lorsque les supports des vecteurs r et F sont confondus (Fig. 5.5)
                                     Pic/Moment7.jpg
                                                       Fig. 5.5
Intuitivement en effet, une force exercée dans la direction du levier ne peut pas faire pivoter celui-ci.

2 - Moment cinétique (angular momentum)
        L
≡ r × m v
       
τ = dL/dt
       
L = m r2 ω

Il est fécond de définir la notion de moment cinétique (anglais angular momentum) en lien avec la notion de quantité de mouvement.

Rappel: la quantité de mouvement
Une force, qui est le produit d'une masse par une accélération, peut également être définie comme le taux de variation (c'est-à-dire la dérivée temporelle) d'une quantité vectorielle p appelée quantité de mouvement (anglais momentum), le produit de la masse m d'une particule par sa vitesse v
     p = m v
La force F impliquée est alors donnée par
     F ≡ dp/dt  = d(m v)/dt
Si la masse m est constante
    F = m dv / dt = m a
où l'on retrouve bien la caractérisation d'une force comme le produit d'une masse par une accélération.

D'une manière parallèle, on peut définir un moment angulaire comme le taux de variation (ou dérivée temporelle) d'une quantité vectorielle L, appelée moment cinétique, qui est le produit vectoriel d'une vecteur position r (le bras de levier) par la quantité de mouvement p = m v d'une particule.

        L r × p r × m v

d'où en termes scalaires L = r m v sin(r, v)

On peut montrer que le moment angulaire est la dérivée temporelle du moment cinétique
           τ = dL/dt

mais la démonstration n'est pas immédiate. Nous la donnons au bas de cette page.

La variation dL du moment cinétique pendant un très court intervale de temps est donc parallèle au moment τ appliqué à la particule. D'autre part, le vecteur moment cinétique est perpendiculaire au plan contenant les vecteurs r et v.

La figure 5.6 illustre le moment cinétique L par rapport à un point O d'une particule de masse m se déplaçant à la vitesse v, possédant donc une quantité de mouvement p = m v. Son origine a été placé arbitrairement en O sur la figure.

                           Pic/Moment4.jpg
                                                             Fig. 5.6

Le moment cinétique d'une particule peut changer de module et / ou de direction lors du déplacement de la particule, en raison de la modification du module ou de l'orientation de r et/ou de v.

Moment cinétique (angular momentum) dans le mouvement circulaire

Dans le cas important d'un mouvement circulaire de centre O et de rayon R, les vecteurs v et R sont perpendiculaire (Fig.5.7).
On a donc
    L
= R x m v = R mv sin (R,v) = R mv                                                (car sin (R,v) = sin (π/2) = 1)
Comme v = ω × R, d'où scalairement v = ω R dans le cas où ω et R sont perpendiculaires, on peut donc écrire scalairement
        L = R m (ω R) = m R2 ω
La direction de L ≡ R × m v, perpendiculaire donc au plan contenant R et v, est la même que celle de ω, d'où vectoriellement
                L = m R2 ω
                       Pic/Moment5.jpg
                                              Fig. 5.7

On notera que dans le mouvement circulaire, ω = dθ / dt et r sont constants, d'où L constant.

•  Si le moment angulaire appliqué à une particule est nul (τr × F = 0), nous avons τ = dL / dt = 0 et L est alors un vecteur constant.
Le moment cinétique L d'une particule est donc constant si le moment angulaire τ des forces appliquées est nul.
En d'autres termes, si le moment angulaire des forces appliquées est nul, il y a conservation du moment cinétique.
On notera le parallèle avec la conservation de la quantité de mouvement pour une particule libre.

Le moment angulaire τ appliqué à une particule est également nul si F = 0, c'est-à-dire si la particule est libre, se déplaçant de manière rectiligne à vitesse constant (Fig 5.8).

                    Rot8
                                                 Fig. 5.8

On a dans ce cas
    L =  m v r sin θ
Or d = r sinθ, donc L = m v d. Cette quantité est constante, car tout les facteurs sont constants: en particulier, d est invariant, même lorsque r et θ varient.

La condition τr × F = 0 est également remplie lorsque F est parallèle à r, c'est-à-dire lorsque la direction de F passe par O, origine du vecteur r.
Une force dont la direction passe toujours par un point fixe est appelée force centrale. (Fig. 5.9)
                        Rot9
                                                                   Fig. 5.9

Lorsqu'un corps se déplace sous l'effet d'une force centrale, son moment cinétique L reste constant. La réciproque est également vraie.
    Quand la force est centrale, le moment cinétique par rapport au centre de la force est une constante, et réciproquement
Ce résultat est important car beaucoup de forces dans la nature sont des forces centrales: par exemple la Terre se déplace par rapport au Soleil sous l'influence d'une force centrale. Le moment cinétique de la Terre par rapport au Soleil est donc constant.

•  Pour être complet, ajoutons que si le mouvement n'est pas circulaire mais curviligne, on peut décomposer la vitesse suivant sa composante radiale vr (vers O) et transversale vθ (Fig. 5.10)
Seule la composante transversale vθ = r (dθ / dt) contribue au moment cinétique, d'où
   
L = mr2 dθ / dt

Si dans le mouvement circulaire L est constant, ce n'est pas le cas du mouvement curviligne, où L est variable.


                    Pic/Moment6.jpg
                                              Fig. 5.10




3 - Moment d'inertie (moment of inertia) et énergie cinétique 
        I ≡ m r2

        L = I
ω


Rappel: énergie cinétique

•  La notion d'énergie cinétique d'une particule résulte de la définition du travail d'une force comme le produit scalaire de cette force par la distance parcourue par la particule
Le travail élémentaire dW d'une force F est défini par
    dW F.dr
où dr est la distance parcourue par la particule.
Comme F = m dv / dt et dr = v dt, le travail W entre deux positions a et b est donné par l'intégrale
    W =  m ab (dv / dt) v dt = m ab   v dv = 1/2 m (vb2 - va2) = 1/2 m vb2 - 1/2 m va2
La quantité
        Ec =  1/2 m v2
est appelée énergie cinétique de la particule.

Le travail W d'une force entre deux positions est donc la différence entre l'énergie cinétique de la particule au point d'arrivée et l'énergie cinétique au point de départ: 
       W = Ec,b - Ec,a

Calculons maintenant l'énergie cinétique Ec = 1/2 m v2 d'une particule de masse m sur une trajectoire circulaire de rayon r autour d'un point O.
La vitesse V peut s'exprimer par V =  r ω, d'où
        Ec = 1/2 m r2 ω2
Définissons le moment d'inertie I comme la quantité m r2
       I ≡ m r2
On a donc, dans le mouvement circulaire
        Ec = 1/2 I ω2
Dans le mouvement circulaire, I joue donc formellement le rôle de m dans le calcul de l'énergie cinétique Ec =  1/2 m v2

Dans le cas du mouvement circulaire, il existe une relation simple entre le moment cinétique et le moment d'inertie.
Nous avons vu que 
        L = m r
2 ω
Le moment cinétique peut donc s'écrire
       L = I ω

A ce stade de l'exposé, les manuels de physique developpent le calcul du moment d'inertie pour des objets de forme géométrique simple: disque, anneau, cylindre, cube, sphère etc...

dL / dt = τ : démonstration

L
r × p = m r × v

Soit L' = r × v = (ri + rj + rk) × (vi + vj + vk)

L' = (ri + rj + rk) × (vi + vj + vk)
     = ri x vi + ri x vj + ri x vk + rj x vi + rj x vj + rj x vk + rk x vi + rk x vj + rk x vk
     =              ri x vj + ri x vk + rj x v              + rj x vk + rk x vi + rk x vj
     =              ri.vj k  - ri.vk j  - rj vi k               + rj.vk i  + rk.vi j   - rk.vj i
     = (rj.vk - rk.vj) i + (rk.vi  - ri.vk) j + (ri.vj - rj vi) k
-----------------
       j       
 k         i    (anti-)horaire -(+)
-----------------

Les vecteurs r et v sont implicitement fonctions du temps: r(t), v(t)

dL'/dt = rj dvk/dt i +  drj/dt vk - rk dvj/dt i - drk/dt vj i +  rk dvi/dt j +  drk/dt vi j  - ri dvk/dt j - dri/dt vk j + ri dvj/dt k +  dri/dt vj k - rj dvi/dt k - drj/dt vi k
                 = (drj/dt vk - drk/dt vj) i + (drk/dt vi - dri/dt vk) j + (dri/dt vj - drj/dt vi) k
                      (= dr/dt × v = (dri/dt i + drj/dt j + drk/dt k) × (vi + vj + vk) = (drj/dt vk - drk/dt vj) i + (drk/dt vi  - dri /dt vk) j + (dri/dt vj - drj/dt  vi) k)
              + (rj dvk/dt - rk dvj/dt) i + (rk dvi/dt - ri dvk/dt) j + (ri dvj/dt - rj dvi/dt) k
                       (= r × dv/dt) = (ri + rj + rk) × (dvi/dt i + dvj/dt j + dvk/dt k) = (rj dvk/dt - rk.dvj/dt) i + (rk.dvi/dt - ri.dvk/dt) j + (ri dvj/dt - rj dvi/dt) k )

dL'/dt = d(r × v)/ dt  =  (dr/dt × v) + (r × dv/dt) 

dL/dt = d(r × mv)/ dt  =  (dr/dt × m v) + (r × m dv/dt)                      

Or (dr / dt) × mv = × mv = 0    (car v est colinéaire à lui même !)
Il reste donc
    dL / dt = r × m dv / dt  = r × m a = r × F
Or τ  r × F
d'où
    dL / dt = τ
 Notons que cette relation n'est valide que si L et τ sont mesurés par rapport au même point O


4 - Application au calcul de la force de Coriolis dans le cas d'un mouvement nord/sud

On vient de voir que le moment cinétique I d'une masse unité en rotation à vitesse constante à une distance r du point de pivotement vaut  r2Ω

Le raisonnement est le suivant: dans l'hémisphère nord, dans le cas d'un déplacement le long de la surface du globe (ou déplacement 'horizontal') d'une masse unité à vitesse constante v vers le sud, la distance au centre de rotation augmente (voir figure 5.11). Comme I est invariant en raison de l'absence de force dirigée dans le sens est ou ouest (c'est-à-dire en l'absence de moment angulaire appliqué à la particule)  il faut que la vitesse de rotation diminue, ce qui implique un mouvement vers l'ouest pour un observateur qui se trouve sur la terre. La vitesse initiale de rotation Ω sera donc modifiée d'une valeur ω = dv/(r + dr), dirigée vers l'ouest
Pour un déplacement vers le nord, la distance au centre de rotation diminue. L'invariance de I implique donc une accélération de la vitesse de rotation, donc un mouvement vers l'est.

La conservation de I implique donc
    I = r2Ω = (r + dr)2 (Ω + dv/(r + dr)) = (r2 + 2dr r + dr2)(Ω + dv/(r + dr)) = r2 Ω + 2dr r Ω + dr2Ω + r2 dv/(r + dr) + 2dr r dv/(r + dr) + dr2 dv/(r + dr)
Au premier ordre, c'est-à-dire en ne conservant que les termes ne comportant au plus qu'une unique différentielle de degré un
    I = r2Ω = r2 Ω + 2dr r Ω + r2 dv/(r + dr)
Il faut donc que la somme des deux derniers termes soit nulle
     2dr r Ω + r2 dv/(r + dr) = 0
c'est-à-dire
    r2 dv/(r + dr)  = - 2dr r Ω
La différentielle de vitesse dv vaut alors
    dv = - 2dr r Ω (r + dr) / r2
         = - 2dr r Ω r/r2  - 2dr r Ω dr / r2
En ne conservant à nouveau que le terme de premier ordre, on obtient
    dv = - 2 Ω dr

Holton99
                                           Fig. 5.11

Comme le montre la figure 5.11
    dr = dy sin Lat
soit
    dv = - 2 Ω dy sin Lat
On peut maintenant calculer l'accélération dv/dt correspondante, c'est-à-dire la force par unité de masse:
    dv/dt = - 2 Ω dy/dt sin Lat
d'où enfin
     C  = - 2 Ω v sin Lat

où v est la vitesse de déplacement de la masse unité sur l'axe nord-sud. Dans le cas de la figure 5.11, v est négatif (comme dLat) car la masse de déplace vers le sud, d'où C positif.
On peut de la même manière calculer la force de Coriolis liée à un déplacement vers le zénith du lieu, mais cela n'a guère d'utilité en météorologie où les déplacements verticaux se font à vitesse très faible.

Dans le cas général d'un mouvement 'horizontal' (c'est-à-dire sans composante verticale) à la surface de la terre, il suffit de décomposer le vecteur vitesse en ses deux composantes selon l'axe est-ouest et l'axe nord-sud.


Note 1
Comme la force centrifuge, la force de Coriolis est une pseudo-force dans la mesure où elle n'apparaît que lorsque nous considérons la terre comme un référentiel galiléen (ou inertiel) en mouvement de translation rectiligne uniforme (éventuellement au repos, à vitesse nulle) et non comme un référentiel en rotation, comme c'est le cas en réalité. C'est pourquoi certains auteurs préfèrent le terme d'effet Coriolis, évitant le terme 'force' ou 'accélération' (à l'origine d'une force). Il n'y pas d'inconvénient à traiter cette pseudo-force comme une force dans les raisonnements et les calculs, à condition de se souvenir que la notion de travail n'a aucun sens dans le cas des pseudo-forces.

Note 2
De manière plus précise, la vitesse angulaire a pour unité s-1. Voici pourquoi.
La mesure d'un angle est définie par le rapport entre une longueur mesurée sur la circonférence et le rayon. Par exemple, une longueur unité mesurée sur un cercle de rayon unité correspond à un angle de 1 radian. Un angle, étant le rapport entre deux longueurs, est un nombre pur, sans dimensions, donc sans unité. Le radian n'est donc qu'une pseudo-unité, à la valeur simplement pratique. La vitesse angulaire, exprimée en radians par seconde, est donc strictement le rapport d'un nombre par un temps: il a donc comme unité s-1


Note 3
Selon Newton, la force gravitationnelle Fg exercée par un élément de masse M sur un élément de masse m séparés d'une distance r = |r|  est donnée par 
     F
g = - (G M m / r²) (r / r)
où G est la constante gravitationnelle (6,6742×10-11 N m2 kg−2)

    r est la distance entre les centres des masses
    r
/ r est le vecteur unité dirigé de M vers m
Le signe moins résulte du fait que nous voulons la force gravitationnelle de M sur m.
             Gravit1
En météorologie, la distance entre les masses d'air concernées et la surface du globe (ordre de grandeur 5 km) est négligeable par rapport au rayon terrestre (6370 km) dans le calcul de g.
Notons à nouveau que si la terre était parfaitement sphérique, la force centrifuge induirait une composante méridienne (vers l'Equateur) (voir fig. 2.3). Ce n'est pas le cas en raison de la forme ellipsoïdale qu'a adoptée la terre au cours de son histoire (fig. 2.1)




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Version 1.0 le 23/10/ 2012 à 09h:55