5.15: Cadres de référence non inertiels

Un cadre de référence accélérant ou décélérant par rapport à un cadre de référence inertiel est un cadre non inertiel. Pour comprendre cela, considérons ce que l'on retrouve en commun lorsqu'on décolle en avion, qu'on prend un virage en voiture, qu'on tourne dans un manège ou qu'on observe le mouvement circulaire d'un cyclone tropical. Tous ces systèmes accélèrent, décélèrent ou tournent par rapport à la Terre ; ils sont donc tous des cadres non inertiels. Tous ces systèmes présentent des forces inertielles qui semblent simplement découler du mouvement, puisque le cadre de référence de l'observateur accélère ou tourne. Nous pouvons concilier ces points de vue en examinant les cadres de référence utilisés. Un physicien choisira le cadre de référence le plus pratique pour la situation analysée. Les physiciens n'ont aucun problème à inclure les forces inertielles et la deuxième loi de Newton, comme d'habitude, si cela est plus pratique. De même, des cadres de référence non inertiels (accélérés) sont utilisés lorsque cela est utile. Différents cadres de référence doivent être considérés, par exemple, lorsqu'on discute du mouvement d'un astronaute dans un vaisseau spatial se déplaçant à des vélocités proches de celle de la lumière, alors cela s'applique à la théorie de la relativité restreinte.

La Terre peut être utilisée comme un cadre de référence inertiel sans trop se soucier des effets causés par sa rotation. Cependant, de tels effets existent, par exemple, dans la rotation des systèmes météorologiques. Vu depuis le pôle Nord, la Terre tourne dans le sens inverse des aiguilles d'une montre, et tout mouvement dans l'hémisphère nord de la Terre subit une force de Coriolis vers la droite. Le contraire se produit dans l'hémisphère sud, où la force est vers la gauche. Étant donné que la vélocité angulaire de la Terre est faible, la force de Coriolis est généralement négligeable, mais elle a des effets importants pour les mouvements à grande échelle, tels que les modèles de vent. La force de Coriolis fait tourner les ouragans dans l'hémisphère nord dans le sens inverse des aiguilles d'une montre, tandis que les cyclones tropicaux dans l'hémisphère sud tournent dans le sens inverse.

La rotation des cyclones tropicaux et la trajectoire d'une balle sur un manège peuvent tout aussi bien être expliquées par l'inertie et la rotation du système en dessous. Lorsque des cadres non inertiels sont utilisés, des forces inertielles, telles que la force de Coriolis, doivent être inventées pour expliquer la trajectoire courbe. Il n'y a aucune source physique identifiable pour ces forces inertielles. Lorsque des cadres inertielles sont utilisés, l'inertie explique la trajectoire et il y a une source identifiable pour chaque force. Nous pouvons utiliser l'un ou l'autre point de vue pour décrire la nature, mais un point de vue dans un cadre inertiel est plus simple, car toutes les forces ont des origines et des explications.

Ce texte est adapté deOpenstax, University Physics Volume 1, Section 5.6: Common Forces and Section 6.3: Centripetal Force.

Rappelons que les référentiels dans lesquels les lois de Newton sont vraies sont connus sous le nom de référentiels inertiels. Cependant, il existe des cadres de référence qui défient les lois de Newton, appelés cadres de référence non inertiels.

Les repères non inertiels accélèrent ou ralentissent par rapport aux repères inertiels.

Par exemple, lorsqu'un avion décolle, les passagers ressentent une force vers l'arrière opposée à l'accélération de l'avion. Cela viole la deuxième loi de Newton selon laquelle les objets sont accélérés dans la direction de la force externe nette.

Dans les référentiels non inertiels, des forces inertielles ou fictives qui n’ont pas d’origine physique sont nécessaires pour expliquer le mouvement des objets. Ainsi, en mécanique, il est plus pratique d’utiliser un repère inertiel.

Idéalement, un référentiel fixé à la Terre est non inertiel en raison de sa révolution et de sa rotation. Cependant, les forces dues à la rotation de la Terre sont négligeables dans les petits mouvements mécaniques, mais affectent les mouvements à grande échelle comme les vents.

La force fictive de ce repère dévie le vent dans le sens des aiguilles d’une montre dans l’hémisphère nord et dans le sens inverse des aiguilles d’une montre dans l’hémisphère sud.