Concepts fondamentaux

Espace et temps absolus.
La mécanique classique est formulée dans l'espace et le temps absolus. 

• L'espace. - Classiquement, l'espace est considéré comme euclidien ("plat"), tridimensionnel et absolu. Cela signifie qu'il existe un cadre de référence fixe et immuable dans lequel les événements se déroulent. 

• Le temps. - Le temps est également considéré comme absolu et universel. Il s'écoule uniformément pour tous les observateurs, indépendamment de leur état de mouvement. 

Causalité et déterminisme.
Dans la mécanique classique, telle que formulée par Newton, le déterminisme et la causalité sont des principes fondamentaux et étroitement liés qui décrivent le comportement des systèmes physiques.  Le déterminisme de la théorie découle précisément de la nature causale et de la formulation mathématique des lois fondamentales. Les lois décrivent comment les causes (forces) produisent les effets (changements de l'état de mouvement) de manière non ambiguë. 

La causalité.
La causalité est le principe selon lequel chaque événement (un effet) est la conséquence nécessaire d'un ou plusieurs événements antérieurs (une cause). Dans le cadre de la mécanique classique, la causalité se manifeste par les interactions entre les objets, décrites par les forces. Chaque modification de l'état d'un objet (sa vitesse, sa direction) est directement attribuable à l'action d'une force, elle-même souvent le résultat d'une interaction avec un autre objet. Le principe de causalité implique qu'un effet ne peut pas précéder sa cause et qu'il existe un lien direct et nécessaire entre les deux. 

Le déterminisme.
La mécanique classique est l'archétype d'une théorie déterministe. Le déterminisme, dans ce contexte, signifie que l'état d'un système physique à un instant donné détermine entièrement son état à tout instant futur. 

Pendant longtemps, les physiciens ont cru que cela signiait que si l'on connaît parfaitement les positions et les vitesses de toutes les particules qui composent un système à un moment précis, ainsi que les forces qui agissent sur elles et entre elles (par exemple, la gravitation), alors les lois de Newton sous la forme d'équations différentielles permettent de calculer l'évolution future de ce système avec une précision absolue.

C'est l'idée du démon de Laplace, une intelligence hypothétique capable de connaître la position et la vitesse de chaque particule dans l'univers à un instant donné et de calculer ainsi l'intégralité de son futur et de son passé. En théorie, la mécanique classique offre donc une prédictibilité parfaite. D'une certaine manière, rien de véritablement nouveau ne peut donc advenir, puisque le futur est déjà tout entier inscrit dans les conditions initiales.

• La prédictibilité est la capacité, en pratique, de calculer et de connaître l'état futur d'un système. Dans l'idéal théorique du déterminisme classique, le déterminisme parfait implique une prédictibilité parfaite : si nous avions une connaissance infiniment précise des conditions initiales et une capacité de calcul illimitée, nous pourrions prédire l'avenir du système avec une certitude absolue pour n'importe quelle durée. Cependant, la prédictibilité effective des systèmes classiques dans le monde réel peut être loin de cet idéal. Plusieurs facteurs limitent notre capacité à prédire :

+ La connaissance des conditions initiales n'est jamais parfaite. Toute mesure physique comporte une marge d'erreur, aussi petite soit-elle. Nous ne pouvons jamais connaître les positions et les vitesses initiales avec une précision infinie.

+ De nombreux systèmes classiques sont extrêmement sensibles aux conditions initiales. C'est le domaine de la théorie du chaos. Pour ces systèmes, une différence minuscule dans les conditions initiales, même au-delà de ce que nos instruments les plus précis peuvent mesurer, peut s'amplifier de manière exponentielle au fil du temps, conduisant à des états futurs radicalement différents. Bien que ces systèmes soient strictement déterministes (l'évolution future est déterminée par l'état initial), ils deviennent imprévisibles en pratique sur le long terme à cause de cette sensibilité. L'effet papillon est une illustration célèbre de ce phénomène : une perturbation minime (un battement d'ailes) dans un lieu peut avoir des conséquences majeures imprévisibles sur la météo à long terme dans un autre lieu.

+ Pour des systèmes complexes impliquant un grand nombre de particules (comme un gaz, un fluide ou même des systèmes célestes à N corps), les calculs nécessaires pour prédire l'évolution peuvent devenir prohibitifs, même avec les ordinateurs les plus puissants. Les modèles doivent souvent recourir à des approximations.

Référentiel. 
Un référentiel est un système conceptuel utilisé pour décrire la position et le mouvement des corps dans l'espace et le temps. Il s'agit fondamentalement d'un repère spatial constitué d'un point d'origine fixe au sein du système, d'axes de coordonnées (généralement trois axes orthogonaux comme x, y, z) qui définissent des directions dans l'espace par rapport à cette origine, et d'une horloge (ou axe de coordonées supplémentaire t) qui permet de mesurer le passage du temps. L'ensemble de ces éléments fournit le cadre nécessaire pour assigner des coordonnées spatiales (une position) et un instant temporel à tout événement ou à tout point de l'espace. Le choix du référentiel est arbitraire, mais il est indispensable pour appliquer les lois de la physique, notamment les lois de Newton, qui s'expriment en fonction des grandeurs (position, vitesse, accélération) mesurées dans un référentiel donné. 

Vitesse.
La vitesse est la dérivée de la position par rapport au temps. Elle décrit la rapidité et la direction du déplacement d'un objet. La vitesse est un vecteur, noté v(t), et son module est appelé vitesse scalaire ou simplement vitesse. La vitesse instantanée est donnée par : v(t)= dr/dt (notation de Leibniz) ou v(t)=  (notation de Newton, dérivation par rapport au temps implicite)

Accélération.
L'accélération est la dérivée de la vitesse par rapport au temps (autrement dit, la dérivée seconde de la position par rapport au temps)). Elle décrit la variation de la vitesse avec le temps, c'est-à-dire la modification de la rapidité ou de la direction du mouvement. L'accélération est un vecteur, noté a(t) ou γ(t), et son module est appelé accélération scalaire. L'accélération instantanée est donnée par : a(t) = dv/dt = d²r/dt². (notation de Leibniz) ou a(t) =   =  (notation de Newton).

Trajectoire.
L'ensemble continu des positions successives de l'objet constitue sa trajectoire.  Mathématiquement, la trajectoire peut être représentée par une fonction vectorielle du temps, notée r(t), qui donne la position (donnée par les coordonnées spatiales x, y, z) du point à chaque instant t. 

La forme de la trajectoire peut différer en fonction selon les variations éventuelles des vecteurs vitesse et accélération (ce qui dans la formulation newtonienne de la mécanique classique signe la présence d'une cause agissante sur le mobile, une force). Par exemple une trajectoire rectiligne uniforme est une ligne droite lorsque l'objet se déplace à une vitesse constante sans accélération. Dans le mouvement circulaire, la trajectoire est un cercle. Dans le mouvement circulaire uniforme, les modules de la vitesse et de l'accélération sont constants, mais pas les vecteurs eux-mêmes. Dans le mouvement parabolique, la trajectoire est une parabole, par exemple : une balle projetée obliquement dans le vide sous l'effet de la gravitation. Dans le mouvement elliptique, la trajectoire est une ellipse, comme c'est le cas pour les orbites des planètes autour du Soleil. 

La masse (m) est une propriété intrinsèque d'un corps, dans le cas présent, elle mesure sa résistance à l'accélération (masse inertielle).

Caractérisations d'un phénomène périodique.
Pour caractériser un phénomène périodique, plusieurs grandeurs sont utilisées en fonction du contexte :

• Période (T) : Temps nécessaire pour compléter un cycle complet, mesuré en secondes (s). 

• Fréquence (f ) : Nombre de cycles complets par unité de temps, mesurée en hertz (Hz, équivalent à s^-1) : f = 1/T.

• Phase (ϕ). - Grandeur angulaire qui indique où se situe un point dans une oscillation par rapport à un point de référence. Elle permet de comparer différents phénomènes périodiques entre eux. Unité : le radian (rad) ou le degré (°). Exemple : Deux oscillateurs sinusoïdaux peuvent être en phase (0 rad ou 0°) ou déphasés (par exemple, π/2 rad ou 90°). 

• Pulsation (ω). -  La pulsation ( = vitesse angulaire dans le cas d'un mouvement de rotation) est le taux de variation de la phase par rapport au temps. Plus la pulsation est grande, plus l'oscillation ou la rotation est rapide. Relation avec la période et la fréquence : ω=2πf = 2π/T (le facteur 2π vient du fait qu'un cycle complet [une oscillation ou un tour] correspond à un angle de 2π radians). Unité : le radian par seconde (rad/s).   La pulsation est très utilisée dans l'étude des systèmes oscillants (oscillateur harmonique, ondes) car elle simplifie considérablement les équations mathématiques qui décrivent ces phénomènes (équations différentielles, expressions de l'énergie, etc.). Les formules deviennent souvent plus élégantes en utilisant ω plutôt que f .

• Amplitude (A). - Plus grande valeur atteinte par une grandeur au cours d'une période. Elle représente la "portée" du phénomène. Exemple : pour un oscillateur, l'amplitude est la distance maximale parcourue par rapport à la position centrale. Unité : selon la grandeur mesurée (mètre [m] pour une oscillation mécanique).

• Facteurs de forme. - Paramètres qui décrivent la forme de la courbe du phénomène périodique. Ils permettent de comparer une oscillation réelle à une oscillation idéale (sinusoïdale). Le coefficient de forme indique la régularité de la forme d'onde. Le coefficient de distorsion mesure l'écart entre une onde réelle et une onde sinusoïdale.

• Le mouvement circulaire uniforme est un exemple typique de phénomène périodique. C'est un type de mouvement où la trajectoire d'un point mobile est un cercle. Bien que la vitesse scalaire (module du vecteur vitesse) soit constante, le vecteur vitesse, qui est tangent à la trajectoire, change continuellement de direction. De ce fait, il existe une accélération, appelée accélération centripète ou normale, qui est dirigée vers le centre du cercle et dont la grandeur est constante. Cette accélération est responsable du changement de direction de la vitesse sans modifier sa magnitude.

• Une oscillation est un mouvement répétitif d'un système autour d'une position d'équilibre. Ce mouvement peut être linéaire ou curviligne, et il est caractérisé par des variations régulières de la position, de la vitesse et de l'accélération. Un exemple  d'oscillation est celui d'une masse attachée à un ressort (pendule élastique) : lorsque la masse est déplacée de sa position d'équilibre et relâchée, elle se met à osciller de gauche à droite autour de cette position, atteignant successivement des positions extrêmes avant de revenir vers le centre. Les oscillations seront dites harmoniques si elles suivent un mouvement sinusoïdal. Ici encore, la durée pour compléter un cycle complet est la période de l'oscillateur.

• Les ondes mécaniques sont des perturbations qui se propagent à travers un milieu matériel, comme un solide, un liquide ou un gaz, en transportant de l'énergie sans déplacer de manière permanente la matière elle-même. Ces ondes nécessitent une présence de matière pour se propager, car elles dépendent des interactions entre les particules du milieu. Elles se manifestent sous différentes formes, telles que les ondes acoustiques (son), les ondes sismiques (séismes) ou encore les ondes dans un liquide (comme celles provoquées par un objet tombant dans l'eau). Leur vitesse de propagation dépend des propriétés du milieu, notamment sa rigidité et sa masse volumique. Les ondes mécaniques peuvent être représentées comme des variations périodiques de pression, de densité ou de déplacement dans le milieu. On en distingue principalement deux types principaux : les ondes transversales et les ondes longitudinales.

+ Ondes transversales. - Les vibrations des particules du milieu sont perpendiculaires à la direction de propagation de l'onde. Un exemple typique est une corde vibrante où les particules oscillent de part et d'autre de la direction de la propagation de l'onde.

+ Ondes longitudinales. - Les vibrations des particules du milieu sont parallèles à la direction de propagation de l'onde. C'est le cas des ondes sonores dans l'air, où les particules s'étirent et se compriment successivement.

Le moment angulaire.
Le moment angulaire L est une grandeur vectorielle qui représente l'état de rotation d'un objet. Il est défini comme le produit croisé de la position relative du point de référence et de la quantité de mouvement. L = rΛp, où r est le vecteur position du point de référence par rapport à l'axe de rotation,  p est le vecteur quantité de mouvement et Λ le symbole du produit vectoriel. Pour un objet rigide tournant autour d'un axe fixe, le moment angulaire peut également s'écrire en termes de moment d'inertie et de vitesse angulaire  : L = I.ω, où ω est le vecteur vitesse angulaire. Unité SI : kg.m² /s.

Les forces.
Une force (F) est la grandeur qui sert à qantifier une interaction et qui, lorsqu'elle s'applique à un objet, peut provoquer un changement de son état de mouvement (accélération) ou une déformation. En ce sens, les forces sont les causes qui produisent des effets. Par exemple, la force gravitationnelle exercée par la Terre pourra être vue comme la cause de l'accélération d'une pomme qui tombe. Les forces sont des quantités vectorielles et obéissent au principe de superposition (les effets de plusieurs forces s'additionnent vectoriellement). Les forces sont ordinairement décrites par des lois spécifiques (ex: loi de gravitation universelle de Newton, loi de Hooke pour les ressorts). Unité SI : le newton (N).

Quelques de concepts associés à celui de force :

• Diagrammes de forces. - Ces diagrammes représentent visuellement toutes les forces agissant sur un objet ou une structure pour faciliter l'analyse.

 • Moments et couples. - Les moments sont des rotations induites par des forces, et les couples sont des paires de forces égales et opposées qui ne se compensent pas linéairement mais créent une rotation.

 • Points d'appui et réactions. - En statique, lles points d'appui sont les points où une structure est fixée ou soutenue, et les réactions sont les forces et moments nécessaires pour maintenir l'équilibre.

• Impulsion. - Une impulsion est la quantité de mouvement transférée à un objet en raison d'une force appliquée sur celui-ci pendant une durée donnée. L'impulsion coïncide avec la quantité de mouvement d'un objet lorsque les forces en jeu dérivent d'une énergie potentielle. La principale différence entre l'impulsion et la quantité de mouvement réside tient à ce que l'impulsion est généralement utilisée pour décrire les effets d'une force appliquée à un objet, tandis que la quantité de mouvement est utilisée pour caractériser le mouvement propre d'un objet. L'impulsion est souvent utilisée dans le contexte de l'analyse des collisions, où elle peut être utilisée pour déterminer les changements de vitesse et les forces impliquées lors de l'interaction entre deux objets.

 • La résonance est un phénomène périodique où un système oscillatoire est fortement excité par une force extérieure appliquée à une fréquence qui correspond à sa fréquence naturelle. Cela conduit à des amplitudes maximales de vibration. Exemples-:

+ Résonance mécanique : une structure peut vibrer fortement si elle est excitée à sa fréquence propre.

+ Résonance acoustique : une salle peut amplifier certaines fréquences sonores, entraînant des résonances acoustiques.

 • Les oscillations harmoniques sont des mouvements périodiques où un objet oscille autour d'une position d'équilibre. En l'absence de dissipation d'énergie (cas idéal théorique), le mouvement est décrit par une fonction sinusoïdale. Exemples :

+ Pendule pesant (pendule simple) : un pendule de longueur L (et dont toute la masse est concentrée à cette distance de l'axe de rotation) a de petites oscillations de période :

 où g est l'accélération de la pesanteur.

+ Pendule élastique (ressort) : un objet  de masse m attaché à un ressort de constante de raideur k oscille avec une période :

• Énergie cinétique (Ec). - C'est l'énergie associée au mouvement d'un objet. Elle dépend de la masse m de l'objet et de sa vitesse v. La formule pour l'énergie cinétique est : Ec = ½.m.v² .

• Énergie potentielle (Ep). - C'est l'énergie associée à la position d'un objet dans un champ de force. L'énergie potentielle peut être de différents types selon le contexte. Exemples :

+ Énergie potentielle gravitationnelle. - Dans un champ gravitationnel, elle est donnée par : Ep = mgh, où m est la masse de l'objet, g est le module de l'accélération due à l'attraction gravitationnelle et h est l'altitude de l'objet par rapport à une référence.

+ Énergie potentielle élastique. - Dans le cas d'un ressort, elle est donnée par : Ep = ½.k.x², où k est la constante de raideur du ressort et x est l'allongement ou la compression du ressort par rapport à sa position de repos.

 • Énergie dans les systèmes périodiques. - Dans les systèmes périodiques, l'énergie fluctue entre l'énergie cinétique et l'énergie potentielle. Par exemple, dans un oscillateur harmonique (un pendule, un ressort) : à l'extrémité de l'oscillation, l'énergie est entièrement potentielle; au centre de l'oscillation, l'énergie est entièrement cinétique.

Le travail.
Le travail  (W) est la mesure de l'énergie transmise à un objet par une force lorsqu'il subit un déplacement . Le travail dépend de la force appliquée, de la distance parcourue , et de l'angle θ entre la force et le déplacement. Le travail W effectué par une force F sur un objet qui se déplace d'une distance d est ainsi donné par : 

où F est le module de la force F, d est le module du déplacement d, et θ est l'angle entre la direction de la force et la direction du déplacement. 

Si F et d sont colinéaires, alors cos (θ) = 1 et on a : W = F.d. Si F et d sont perpendiculaires, alors cos (θ) = 0 et le travail est nul : W = 0.

Le travail se mesure en joules, comme l'énergie.

La puissance.
La puissance (P) est la mesure de le taux auquel le travail est effectué ou l'énergie est transférée. Elle indique combien d'énergie est consommée ou produite par unité de temps. Selon que l'on considère le travail (W) ou l'énergie (E), on aura (pour des valeurs moyennes dans l'intervalle de temps t) :

En termes de force et de vitesse, la puissance peut également être exprimée comme :
P = F⋅v⋅cos⁡(θ), où F est le module de la force F, v est le module de la vitesse v du point d'application de la force, et θ l'angle entre la direction de la force et la direction de la vitesse.

La puissance s'exprime en watts (W), où 1 watt = 1 joule par seconde (1 W = 1 J/s).

Lois fondamentales.
Les lois de Newton.
Les lois de Newton constituent le coeur de la dynamique classique. Elles permettent de déduire les trajectoires des corps à partir des forces qui leur sont appliquées, ce qui est la tâche centrale de la mécanique classique.

• Première loi de Newton (principe d'inertie). - Tout corps persévère dans l'état de repos ou de mouvement rectiligne uniforme dans lequel il se trouve, à moins que quelque force n'agisse sur lui et ne le contraigne à changer d'état. Cette loi introduit la notion de référentiels galiléens ou inertiels (systèmes de coordonnées où cette loi est valide).

+ Un référentiel galiléen est un système de coordonnées qui est soit à repos, soit en mouvement rectiligne uniforme par rapport à un autre référentiel galiléen. Autrement dit, il n'y a pas d'accélération relative entre deux référentiels galiléens. Ce type de référentiel est caractérisé par l'absence de forces fictives comme celles dues à des rotations ou des accélérations. Il permet donc d'étudier le mouvement des objets en adhérant strictement aux principes fondamentaux établis par Galilée et Newton.

• Deuxième loi de Newton (principe fondamental de la dynamique). -  La variation de la quantité de mouvement d'un corps est proportionnelle à la force qui agit sur lui et se fait dans la direction de cette force : F = dp/dt, ou plus couramment, si m est contante : F = m.a. Cela postule une relation directe entre cause (force) et effet (accélération).

•  Troisième loi de Newton (principe des actions réciproques ou principe d'action-réaction). - Lorsque deux corps A et B interagissent, la force que A exerce sur B FA→B est égale en intensité et de direction opposée à la force que B exerce sur A -FB→A. Autrement dit : FA→B = -FB→A. Ces forces agissent toujours sur des corps différents.

• Conservation de la quantité de mouvement. - Dans un système isolé (sur lequel aucune force extérieure n'agit), la quantité de mouvement totale reste constante.

• Conservation de l'énergie. - Dans un système où seules des forces conservatives agissent, l'énergie mécanique totale (somme de l'énergie cinétique et de l'énergie potentielle) reste constante. Cela signifie que l'énergie peut se transformer d'une forme en une autre (par exemple, de l'énergie potentielle en énergie cinétique), mais la quantité totale d'énergie est conservée. 

•  Conservation du moment angulaire. - Dans un système où aucun couple extérieur net n'agit, le moment angulaire total reste constant. Cela signifie que si un objet commence à tourner, il continuera à tourner avec la même vitesse angulaire tant qu'aucune force externe ne vient modifier son mouvement.

Loi de l'attraction universelle.
La loi de l'attraction universelle de Newton énonce que tout corps attire un autre corps avec une force proportionnelle au produit de leurs masses et inversement proportionnelle au carré de la distance qui les sépare. Le module de cette force toujours attactive est : 

où G est la constante de gravitation universelle,  m1 et m2 sont les masses gravitationnelles des deux corps, et r la distance qui sépare les deux corps..

• Masse inerte et masse grave. - Les concepts de masse inertielle et de masse gravitationnelle sont articulés autour d'une observation fondamentale et d'un principe d'équivalence.

+ La masse inertielle est une mesure de la résistance d'un corps à l'accélération lorsqu'il est soumis à une force. Elle apparaît dans la deuxième loi de Newton, F = mᵢa, où mᵢ est la masse inertielle. Plus la masse inertielle est grande, plus il faut appliquer une force importante pour produire une accélération donnée. C'est la mesure de l'inertie intrinsèque de l'objet.

+ La masse gravitationnelle a un double rôle dans la mécanique classique. a) Elle est la propriété d'un corps qui lui permet d'être une source de champ gravitationnel, comme décrit par la loi de l'attraction universelle de Newton. b) Elle est la propriété d'un corps qui détermine la force qu'il subit dans un champ gravitationnel. Le poids d'un objet près de la surface de la Terre, par exemple, est P = mgg, où mg est sa masse gravitationnelle et g l'accélération due à la gravitation locale.

Expérimentalement, tous les corps en chute libre dans un même champ gravitationnel (en l'absence d'autres forces comme la résistance de l'air) tombent avec la même accélération, indépendamment de leur composition ou de leur masse. Considérons un objet en chute libre sous l'action de la seule force gravitationnelle. La force qui agit sur lui, selon la loi de la gravitation, est proportionnelle à sa masse gravitationnelle (F =  mgg). Cette force, selon la deuxième loi de Newton, cause une accélération qui dépend de sa masse inertielle (F = mᵢ.a). En égalant ces deux expressions pour la force, on obtient :  mg.g = mᵢ.a, d'où : a = (mg / mᵢ).g. L'observation expérimentale que l'accélération a est la même pour tous les corps dans un champ gravitationnel donné g implique nécessairement que le rapport mg / mᵢ doit être constant pour tous les corps. En mécanique classique, on postule que ce rapport est non seulement constant mais aussi égal à 1, en choisissant des unités appropriées. Ainsi, la masse inertielle et la masse gravitationnelle sont considérées comme identiques : mᵢ = mg. C'est une forme du principe d'équivalence (souvent appelée principe d'équivalence faible).

Par conséquent, en mécanique classique, ces deux propriétés distinctes en principe (résistance à l'accélération vs. source et sensibilité à la gravité) sont traitées comme numériquement égales et souvent désignées simplement par "la masse" m. Cette égalité empiriquement vérifiée permet aux lois de Newton (mouvement et gravitation) de décrire de manière cohérente les phénomènes gravitationnels, où la force gravitationnelle (dépendante de la masse gravitationnelle) est la cause de l'accélération (résistance dépendante de la masse inertielle) et produit l'accélération universelle observée.

Les branches de la mécanique classique

Cinématique.
La cinématique est la branche de la mécanique qui étudie le mouvement des corps sans se préoccuper des causes de ce mouvement, c'est-à-dire sans tenir compte des forces qui le provoquent. Elle se concentre sur la description quantitative du mouvement, en utilisant des concepts tels que la position, la vitesse, l'accélération, le temps ou encore la trajectoire. La cinématique peut être étudiée dans différents référentiels, comme les référentiels galiléens pour les mouvements rectilignes ou les référentiels non galiléens pour les mouvements curvilignes et les rotations. Elle peut être appliquée à divers domaines, allant de la physique des particules aux mouvements complexes des machines et des véhicules. Elle est couramment utilisée comme première étape dans l'analyse des systèmes physiques avant d'introduire les concepts de dynamique.

Dynamique.
L'introduction des forces permet de passer à la dynamique, où les causes du mouvement sont prises en compte. Elle repose essentiellement sur les lois de Newton et permet de prévoir l'évolution d'un système à partir de ses conditions initiales et des forces qui s'exercent sur lui. Parmi les forces classiques figurent la gravitation (formalisée par la loi de l'attraction universelle), les forces de frottement, les forces élastiques (comme celles d'un ressort), ou les forces électromagnétiques dans certains contextes. La dynamique trouve des applications dans de nombreux domaines, tels que l'ingénierie, l'aéronautique, la construction de véhicules, et la compréhension des phénomènes naturels comme les collisions, les chocs, et les mouvements dans les champs gravitationnels.

Statique.
La statique est consacrée à l'étude des systèmes en équilibre, c'est-à-dire lorsque la somme des forces et des moments qui s'exercent sur un corps est nulle. Elle se concentre sur les situations où les objets sont soit à l'état de repos, soit en mouvement rectiligne uniforme, ce qui signifie qu'ils ne subissent aucune accélération. 

 • Première condition d'équilibre. -La somme des forces F  agissant sur un objet doit être nulle (∑F = 0). Cela garantit que l'objet ne subit aucune accélération linéaire.

 • Seconde condition d'équilibre. - La somme des moments M (ou des couples) agissant sur un objet doit également être nulle (∑M = 0). Cela garantit que l'objet ne subit aucune rotation ou torsion.

Mécanique des milieux continus.
La mécanique des milieux continus traite du comportement des matériaux solides, liquides et gazeux considérés comme des corps continus, c'est-à-dire des matériaux dont la structure microscopique est négligée pour simplifier l'analyse. Cette approche est particulièrement utile pour modéliser les phénomènes macroscopiques tels que les déformations, les déplacements, et les transferts de chaleur et de matière. 

Plusieurs concepts fondamentaux sont essentiels pour comprendre le comportement des matériaux sous l'effet des forces. Citons, en particulier :

• Densité. - Masse volumique qui représente la masse par unité de volume. Elle est souvent exprimée en kilogrammes par mètre cube (kg/m³).

• Déformation. - Modification de forme ou de taille d'un matériau sous l'effet d'une force extérieure. Elle peut être mesurée par des changements dans les longueurs, angles ou volumes initiaux.

• Contrainte. - Mesure de la force appliquée sur une surface unitaire d'un matériau. Elle peut être tensionnelle, compressive ou de cisaillement, et est exprimée généralement en pascals (Pa).

• Solide. - Matériau qui conserve sa forme et son volume sous l'effet de forces externes, à condition que ces forces ne dépassent pas certaines limites. Les solides peuvent subir des déformations temporaires ou permanentes.

• Fluide. - Matériau qui ne résiste pas à un effort de cisaillement permanent. Il inclut les liquides et les gaz, qui se déplacent facilement sous l'effet des forces et prennent la forme du récipient qui les contient.

• Viscosité. - Mesure de la résistance d'un fluide à couler. C'est une propriété intrinsèque qui dépend de la structure interne du fluide et de ses interactions moléculaires. Elle est exprimée en pascal-seconde (Pa·s).

• Pression. - Force exercée perpendiculairement sur une surface par unité d'aire. Elle est souvent exprimée en pascals (Pa) ou en bar dans certains contextes pratiques.

• Écoulement. - Mouvement continu d'un fluide dans un espace ou un conduit. Il peut être laminaire (flux régulier et ordonné) ou turbulent (avec des courants désordonnés et des tourbillons).

Mécanique des solides.
La mécanique des solides s'intéresse aux déformations et aux contraintes dans les matériaux considérés comme rigides, c'est-à-dire dont les dimensions ne changent pas (ou peu) sous l'effet des forces. Elle comprend l'étude des rotations, des moments d'inertie, des torseurs, et des équilibres dans les solides. Elle inclut la mécanique des structures, la fatigue des matériaux et la plasticité.

Mécanique des fluides.
La mécanique des fluides traite du comportement des liquides et des gaz, en mouvement ou au repos. Elle étudie la pression, la viscosité, l'écoulement, les forces de traînée  et les équations de conservation adaptées aux milieux déformables. Pour les fluides, on utilise des équations comme celles d'Euler ou de Navier-Stokes, dont la complexité peut devenir considérable.

Thermomécanique et théorie cinétique des gaz.
Faisant le lien entre la thermodynamique et la mécanique classiques, la thermomécanique est l'étude des interactions entre les mouvements mécaniques et les transferts de chaleur dans les matériaux. La physique (ou thermodynamique) statistique, via la théorie cinétique des gaz, modélise les gaz comme un grand nombre de particules classiques en mouvement.

Acoustique.
L'acoustique est la science qui étudie les ondes sonores, leur production, leur propagation, leur réception, et leurs interactions avec les matériaux et les environnements. Elle couvre une large gamme de sujets, allant de la perception humaine du son aux applications techniques et industrielles, en passant par l'amélioration des conditions acoustiques dans divers environnements. L'acoustique examine comment le son est généré par des sources, telles que les instruments de musique, les voix humaines, ou les appareils électroacoustiques. Elle étudie comment les ondes sonores se propagent dans différentes médias, comme l'air, l'eau, ou le sol, et comment elles sont influencées par la température, la pression atmosphérique, et la composition du milieu. L'acoustique analyse la manière dont le son est réfléchi, réfracté, ou diffusé par des surfaces et des obstacles. Elle étudie comment le son est absorbé par des matériaux ou comment il traverse des barrières. Elle s'intéresse aussi comment le cerveau humain perçoit et interprète le son (psychophysiologie du son, psychoacoustique, perception subjective de la qualité sonore).

Mécanique céleste.
La mécanique céleste applique les lois de la mécanique classique à des systèmes astronomiques. Elle étudie les mouvements des corps célestes, tels que les planètes, les satellites naturels, les comètes, les astéroïdes, ainsi que les étoiles et les galaxies.  Cette discipline combine des concepts de la mécanique classique et de l'astronomie pour analyser les interactions gravitationnelles entre les objets célestes. Elle permet de comprendre les orbites elliptiques des planètes autour du Soleil, les marées causées par l'attraction gravitationnelle combinée de la Lune et du Soleil, ainsi que les phénomènes plus complexes comme les résonances orbitales et les perturbations gravitationnelles. La mécanique céleste joue également un rôle central dans la planification des missions spatiales, en permettant de calculer les trajectoires des vaisseaux spatiaux pour des rendez-vous avec des objets célestes.

Mécanique analytique

La mécanique analytique trouve ses racines dans les travaux de Joseph-Louis Lagrange (1736-1813), qui a publié son traité fondateur Mécanique analytique en 1788. Lagrange a introduit des formalismes mathématiques qui permettent de reformuler les lois de la dynamique sans recourir explicitement aux forces. Plus tard, William Rowan Hamilton (1788-1856) a développé une version alternative de la mécanique analytique appelée formalisme hamiltonien, qui est particulièrement utile pour étudier les systèmes à plusieurs degrés de liberté.

• La formulation lagrangienne, basée sur le concept de Lagrangien (différence entre énergie cinétique et potentielle) et le principe de moindre action, utilise des coordonnées généralisées et est très puissante pour les systèmes avec contraintes.

• La formulation hamiltonienne, reformulation de la mécanique lagrangienne basée sur l'hamiltonien (somme de l'énergie cinétique et potentielle) et l'espace des phases (position et quantité de mouvement), est fondamentale pour la mécanique statistique et la mécanique quantique.

Le lagrangien (L) est défini comme la différence entre l'énergie cinétique T et l'énergie potentielle V du système :

où q désigne les coordonnées généralisées (position du système), et  leurs dérivées temporelles (vitesses généralisées).

Le coeur de la formulation lagrangienne est le principe de moindre action :

• Le système évolue entre deux instants t1 et t2 selon une trajectoire qui rend stationnaire ou minimale l'action S, définie par l'intégrale du lagrangien dans le temps :

Cette formulation présente plusieurs avantages :

• Elle est indépendante des coordonnées, s'adapte naturellement aux systèmes contraints et permet l'utilisation de coordonnées généralisées adaptées à la géométrie du problème.

• Elle est invariante sous changement de référentiel inertiel, ce qui la rend particulièrement adaptée à la formulation de la relativité et à la transition vers la mécanique quantique (via la formulation de Feynman).

• Elle met en évidence les symétries du système et leur lien avec les lois de conservation (théorème de Noether).

Elle repose non plus sur les coordonnées et les vitesses, comme dans la formulation lagrangienne, mais sur les coordonnées généralisées qi​ et les moments conjugués pi​. L'étude du mouvement est transformée en un système d'équations différentielles du premier ordre, appelées équations de Hamilton.

Le hamiltonien.
La fonction centrale de cette formulation est le hamiltonien H ou H(qi, pi, t), qui est défini comme la somme de de l'énergie cinétique T et de l'énergie potentielle V du système étudié :

Dans un système à n degrés de liberté, qi désigne les coordonnées généralisées (par exemple, angles, distance, etc.), et pi désigne les moments (quantités de mouvement) associés définis par 

où L est le lagrangien du système.

Equations canoniques de Hamilton.
Les équations de Hamilton décrivent l'évolution temporelle des variables de phase (qi, pi), qui se déploient dans un espace appelé espace des phases. Elles se présentent ainsi :

La première équation exprime que la vitesse généralisée i est proportionnelle au gradent de H par rapport à pi. La deuxième équation exprime le changement temporel du moment généralisé pi est proportionne au gradient de H par rapport à qi, mais avec un signe opposé.

Relation avec la mécanique lagrangienne.
Le hamiltonien peut être obtenu à partie du lagrangien par une transformation appelée la transformation de Legendre :

Avantages conceptuels et géométriques.

• La formulation hamiltonienne rend explicite la structure symplectique de la mécanique classique, une géométrie particulière conservée au cours du temps, ce qui donne lieu à des lois de conservation et à une grande stabilité mathématique.

• Elle est le point de départ naturel de la mécanique statistique, qui décrit des systèmes à N corps en termes de distributions sur l'espace des phases.

• Elle est aussi la base formelle de la mécanique quantique canonique, où les variables q et p deviennent des opérateurs soumis aux relations de commutation de Heisenberg.

Limites de la mécanique classique

 • Aux très petites échelle. - Pour les particules atomiques et subatomiques, les effets quantiques deviennent dominants. La mécanique quantique est nécessaire pour décrire correctement le comportement des électrons dans un atome, par exemple. Le concept de trajectoire précise perd son sens à cette échelle.

 • Aux très grandes vitesses. - Lorsque la vitesse des objets approche celle de la lumière dans le vide (environ 300 000 km/s), les prédictions de la mécanique classique divergent de l'observation. La relativité restreinte d'Einstein prend le relais, introduisant la dilatation du temps, la contraction des longueurs et la dépendance de la masse à la vitesse.

 • Dans les champs gravitationnels très intenses. - Près des objets très massifs (comme les trous noirs) ou à l'échelle cosmologique, la gravitation ne peut plus être décrite simplement par la loi de Newton. La relativité générale d'Einstein est nécessaire, décrivant la gravité comme une courbure de l'espace-temps.