examens-de-mc3a9canique

Les hélicoptères sont parfois utilisés pour acheminer des aides humanitaires vers des endroits sinistrés diciles à atteindre par
voies terrestres .
Un hélicoptère , est mobile à une altitude H constante avec une vitesse Vo , et fait tomber une caisse de produits alimentaires de centre
d’inertie Go qui percute le sol au point T .
On étudie le mouvement de Go dans le référentiel orthonormé R (O , i,j)
niveau du sol
Fig 1
lié à la terre et supposé galiléen .
Données :
g = 10 m.s-2 ( intensité de la pesanteur ) et H = 405 m , on néglige les
dimensions de la caisse .
1) Partie I : étude de la chute libre :
On néglige les forces associées à l’action de l’air sur la caisse .
La caisse tombe à l’instant t = 0 du point A(xA = 450 m ; yA = 0 ) à la vitesse Vo
de valeur Vo = 50 m.s-1 .
1-1- Trouver en utilisant la deuxième loi de Newton les deux équations horaires
x(t) et y(t) du mouvement de Go dans le référentiel R (O , i,j) . (1,5 pt)
1-2- Déterminer l’instant où la caisse percute le sol . (0,75 pt)
1-3- Trouver l’équation de la trajectoire du mouvement de Go . (0,5 pt)
2) Partie II : étude de la chute avec frottement :
Pour ne pas abîmer les produits alimentaires suite au choc avec le sol , la caisse
est attachée à un parachute , lui permettant de descendre lentement .
L’hélicoptère reste immobile à la hauteur précédente H au point O . La caisse
tombe verticalement sans vitesse initiale à l’instant to = 0 .
L’air exerce sur la caisse des forces de frottement dont l’expression est
f = -100V . Avec V , la vitesse de la caisse à l’instant t .
On néglige la poussée d’Archimède pendant la chute .
On donne la masse du système { caisse et le parachute } : m = 150 kg .
2-1- Trouver dans le référentiel R (O , i , j ) , l’équation différentielle vérifiée par le centre d’inertie G1 du système . (1,25 pt)
2-2- La courbe de la figure 2 représente la variation de la vitesse de G1 en fonction du temps ; déterminer la vitesse limite Vlim et le temps
caractéristique τ de la chute . (0,5 pt)
2-3- Donner une valeur approximative de la durée du régime initial . (0,5 pt)
2-4- En utilisant la méthode d’Euler et le tableau suivant, déterminer la valeur de la vitesse V4 et celle de l’accélération a4 . (1 pt)
ti (s) 00,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6
Vi (m.s-1) 0 1,00 1,93 2,80 V44,37 5,08
ai (m.s-2)10,00 9,33 8,71 8,12 a47,07 6,60
Zarke AL Yamama , est un satellite marocain qui a pour fonction , de surveiller les frontières du royaume , de communiquer et de
télédétection . Ce satellite a été réalisé par les experts du centre royal de télédétection spatial avec l’aide d’experts internationaux .
Le satellite a été mis en orbite le 10 décembre 2001 à une altitude h de la surface de la Terre . Ce satellite (S) eectue environ 14
tours par jour autours de la Terre .
On suppose que la trajectoire de (S) est circulaire , et on étudie son mouvement dans le référentiel géocentrique .
On suppose que la Terre a une symétrie sphérique de répartition de masse .
On néglige les dimensions de (S) devant la distance qui le sépare du centre de la Terre .
Données :
Fig 1
La constante gravitationnelle : G = 6,67.10-11 (SI) .
Rayon de la Terre : rT = 6350 km .
Intensité du champ de pesanteur à la surface de la Terre : go = 9,8 m.s-2 .
L’altitude h : h = 1000 km .
uTS : vecteur unitaire dirigé de O vers S .
1- Recopier le schéma de la figure 1 et représenter dessus le vecteur vitesse VS du satellite (S) et
la force d’attraction universelle appliquée par la Terre sur (S) . (0,25 pt)
2- Donner l’expression vectorielle de la force exercée par la Terre sur (S) . (0,5 pt)
3- Écrire dans la base de frenet , l’expression du vecteur accélération du mouvement de (S) . (0,5 pt)
4- En appliquant la deuxième moi de Newton sur le centre d’inertie du satellite (S) :
4-1- Montrer que le mouvement de (S) est circulaire uniforme . (0,75 pt)
4-2- Écrire l’expression de VS en fonction de go , rT et h et calculer sa valeur . (0,75 pt)
5- Montrer que la masse de la Terre est MT ≈ 6.1024 kg . (0,5 pt)
6- Montrer que le satellite (S) n’est pas xe par rapport à un observateur terrestre . (0,75 pt)
7- Un satellite (S’) tourne autours de la Terre à la vitesse angulaire ω et apparaît xe par rapport
à un observateur terrestre et envoie des photos utilisées en météorologie .
7-1- Démontrer la relation : ω2.(rT + z)3 = Cte ; avec z la distance entre la surface de la Terre et le satellite . (0,75 pt)
7-2- Trouver la valeur de z . (0,75 pt)

Le saut sur les fausses ou des obstacles à l’aide des motos ou des voitures est l’un des défis qu’affrontent les cascadeurs .
Cet exercice a pour but , la connaissance de quelques conditions qui doivent être satisfaites pour réussir ce défit .
Le parcours de cette aventure est constitué d’une partie rectiligne AB et d’une partie BO incliné d’un angle α par rapport au plan
horizontal AC et d’une fausse de largeur D (figure 1) .
On modélise { voiture + conducteur }par un système indéformable de masse m et de centre d’inertie G .
On étudie le mouvement du centre d’inertie G dans un référentiel terrestre supposé galiléen , et on néglige l’action de l’air sur le système
(S) et ses dimensions par rapport aux distances parcourues .
Fig 1 largeur de la fausse
Données :
- Masse du système (S) : m = 1200 kg .
- L’angle α = 10° /
- Intensité de la pesanteur : g = 9,8 m.s-2 .
1) Étude du mouvement rectiligne du système (S)
Le système (S) passe par le point A à l’instant to = 0 et au point B à l’instant t1 = 9,45 s .
La figure 2 représente les variations en fonction du temps de la vitesse v du mouvement
de G sur le segment AB .
1-1- Quelle est la nature du mouvement de G sur le segment AB ? justifier
votre réponse . (0,5 pt)
1-2- Déterminer graphiquement la valeur de l’accélération a du mouvement de G . (0,75 pt)
1-3- Calculer la distance AB . (0,75 pt)
1-4- Le système (S) est soumis sur le segment BO à une force de poussée F du moteur et
une force de frottement f d’intensité f = 500 N . On considère les deux forces constantes
et parallèles au segment BO .
En appliquant la deuxième loi de Newton , trouver l’intensité F de la force de poussée du
moteur pour que le système (S) garde la même valeur a de l’accélération que le
mouvement sur le segment AB . (0,75 pt)
2) Étude du mouvement du système (S) dans le champ de pesanteur uniforme
Le système (S) n arrive au point O avec la vitesse Vo de valeur Vo = 30 m.s-1 et continue
son mouvement pour tomber au point E distant du point C de CE = 43 m .
On prend l’instant du début de dépassement de la fusse par le système (S) comme nouvelle
origine du repère temps au moment où G est confondu avec O origine du repère (Ox,Oz ) (figure 1) .
2-1- Écrire les deux équations horaires x(t) et z(t) du mouvement de G dans le repère (Ox,Oz ) . (1 pt)
2-2- En déduire l’équation de la trajectoire , et déterminer les coordonnées de son sommet . (1,25 pt)
2-3- Déterminer la hauteur h entre les deux points C et O . (1 pt)

Les oscillateurs mécaniques sont employés dans différents secteurs industriels et quelques appareils de sports et les jeux et autres .
Parmi ces oscillateurs n la balançoire qu’on considère comme pendule .
Un enfant se balance à l’aide d’une balançoire constituée d’une barre qu’il utilise comme siège , suspendue par deux cordes fixées à un
support fixe .
On modélise le système { enfant + balançoire } par un pendule simple composé d’un fil , inextensible de masse négligeable et de
longueur L , et un corps (S) de masse m .
Le peut tourner autours d’un axe fixe horizontal (Δ) perpendiculaire au plan vertical . Le moment d’inertie du pendule par rapport à l’axe
(Δ) est JΔ = m.L2 .
Données :
- Intensité de la pesanteur : g = 9,8 m.s-2 ; longueur du l : L = 3 m ; masse du corps (S) : m = 18 kg .
O prend dans le cas de petites oscillations : sinθ ≈ θ et cosθ ≈ 1 - θ2/2 (rad) .
On néglige les dimensions du corps (S) par rapport à la longueur du l et tous les frottements .
1- Étude dynamique du pendule :
On écarte le pendule de sa position d’équilibre stable d’un angle θm= π
20 dans le sens positif et le libère sans vitesse initiale à l’instant t = 0 .
On repère la position du pendule à un instant t par l’abscisse angulaire θ déni entre le pendule et la verticale passant par le point O tel que
θ = (OMo,OM) (voire figure )
1-1- Montrer en utilisant la relation fondamentale de la dynamique de rotation autour d’un axe fixe , que
l’équation différentielle du mouvement du pendule dans un référentiel galiléen lié à la Terre s’écrit :
..
θ + g
L θ = 0 (0,75 pt)
1-2- Calculer la période propre To du pendule . (0,5 pt)
1-3- Écrire l’équation horaire du mouvement du pendule . (0,75 pt)
1-4- En appliquant la deuxième loi de Newton dans la base de Frenet , trouver l’expression de la tension du
l T à un instant t en fonction de m , g , θ , L et v la vitesse linéaire du pendule simple . Calculer la valeur de
T à l’instant t = To
4 . (1,5 pt)
2- Étude énergétique:
On fournie au pendule qui est immobile dans sa position d’équilibre stable une énergie cinétique de valeur
EC = 264,6 J , et il tourne dans le sens positif .
2-1- On choisi le plan horizontal passant par le point Mo comme référence de l’énergie potentielle de pesanteur (voire figure ) .
Écrire l’expression de l’énergie potentielle de pesanteur EP du pendule à l’instant t en fonction de θ , m , L et g . (1 pt)
2-2- En se basant sur l’étude énergétique , déterminer la valeur maximale θmax de l’abscisse angulaire . (1 pt)
Dans les piscines , les toboggans permettent au nageurs de glisser et plonger dans l’eau .
On modélise le toboggan d’une piscine avec une piste ABC , constituée d’une partie rectiligne AB inclinée d’un angle α par
rapport au plan horizontal , et d’une partie circulaire BC , et on modélise le nageur par un corps solide (S) de centre d’inertie G et
de masse m (Figure 1 ) .
Données :
AB = 2,4 m ; α = 20° ; g = 9,8 m.s-2 ; m = 70 kg .
g 1
1- Étude du mouvement sur la piste AB :
A l’instant t = 0 , le corps (S) part du point A sans vitesse initiale , et glisse sans
frottement sur la piste AB (Figure 1 ) .
on étudie le mouvement de G dans le référentiel R 1(A , i1,j1)supposé galiléen .
En appliquant la deuxième loi de Newton , déterminer :
1-1- Les coordonnées du vecteur accélération aGdans le repère R 1(A, i1,j1) . (0,5 pt)
1-2- vB la vitesse de G au point B . (0,5 pt)
1-3- R l’intensité de la force exercée par le plan AB sur le corps (S) . (0,5 pt)
On étudie dans le reste de l’exercice , le mouvement de G dans le référentiel
R (O , i,j)supposé galiléen (Figure 1 ) .
2- Étude du mouvement de G dans l’air :
Le corps (S) arrive au point C avec la vitesse vC = 4,67 m.s-1 , et il la quitte à un
instant pris comme nouvelle origine des dates .
En plus de son poids , le corps (S) est soumis à l’action des vents articiels ,
modélisée par une force horizontale constante d’expression : f1= - f1 i
2-1- Trouver à un instant de date t , l’expression de vx la composante horizontale du
vecteur vitesse en fonction de m , vC , f1 et t . (0,5 pt)
2-2- A l’instant tD= 0,86 s , G arrive au point D situé à la surface de l’eau où la composante horizontale de sa vitesse s’annule .
a) Calculer f1 . (0,5 pt)
b) Déterminer la hauteur h du point C par rapport à la surface de l’eau . (1 pt)

3- Étude du mouvement vertical du point G dans l’eau :
Le corps (S) poursuit son mouvement dans l’eau avec la vitesse verticale Voù il est soumis en plus de son poids à :
- une force de frottement fluide modélisée par le vecteur fdont l’expression dans le système international des unités est : f= 140V2.j.
- La poussée d’Archmède FAd’intensité : FA = 637 N .
On considère l’instant d’entrée du corps (S) dans l’eau comme nouvelle origine des dates .
3-1- Montrer que la vitesse V(t) du point G vérifie l’équation différentielle suivante :
dV(t)
dt - 2V2 + 0,7 = 0 . (1 pt)
3-1- Trouver la valeur de la vitesse limite VL . (0,5 pt)
3-3- En utilisant le tableau ci-dessous et la méthode d’Euler , déterminer les valeurs ai+1 et Vi+2 . (1 pt)
t (s) V(m.s-1) a (m.s-2 )
ti = 1,8.10-1 -1,90 6,52
ti+1 = 1,95.10-1 -1,80 ai+1
ti+2 = 2,1.10-1 Vi+2 5,15
La planète Mars est l’une des planètes du système solaire qu’on peut détecter
Mars et ses
deux satellites
facilement dans le ciel à cause de sa luminosité et de sa couleur rouge . Il possède
deux satellites naturels ; qui sont : Phobos et Deïmos .
Les savants se sont intéressé à son étude depuis longtemps , et on envoyé plusieurs
sondes spatiales pour son exploration ce qui a permis d’avoir d’importantes
informations sur lui .
Cet exercice propose la détermination de quelques grandeurs physiques concernant
cette planète .
Données :
- Masse du Soleil : MS = 2.1030 kg .
- Rayon de Mars : RM = 6300 km .
- La constante gravitationnelle : G = 6,67.10-11 (SI) .
- La période de la rotation de Mars autours du Soleil : TM = 687 jours ; 1 jour = 86400 s .
- Intensité de la pesanteur à la surface de la Terre : go = 9,8 N.0kg-1 .
On considère que Mars et le Soleil ont une symétrie sphérique de répartition de la masse .
1- Détermination du rayon de la trajectoire de Mars et sa vitesse :
On considère que le mouvement de Mars dans le référentiel héliocentrique est circulaire , sa vitesse est V et son rayon est r ( on néglige
les dimensions de Mars devant les distances le séparant du centre du Soleil et on néglige aussi les autres forces exercées sur lui devant
l’attraction universelle exercée par le Soleil ) .
1-1- représenter sur un schéma la force exercée par le Soleil sur Mars . (0,5 pt)
1-2- Écrire en fonction de G , MS, MM et r,l’expression de l’intensité FS/M de la force d’attraction universelle exercée par le Soleil sur Mars .
( MM est la masse de Mars ) (0,5 pt)
1-3- En appliquant la deuxième loi de newton , montrer que :
1-3-1- Le mouvement de Mars est circulaire uniforme . (0,5 pt)
1-3-2- La relation entre la période et le rayon est : TM2
r3 = 4π2
G. MS . et que la valeur de r est : r ≈ 2,3.1011 m . (1 pt)
1-4- Trouver la vitesse V . (0,5 pt)
2- Détermination de la masse de Mars et l’intensité de la pesanteur à sa surface :
On considère que le satellite Phobos est en mouvement circulaire uniforme autours de Mars à la distance z = 6000 km de sa surface .
La période de ce mouvement est TP = 460 min ( on néglige les dimensions de Phobos devant les autres dimensions) .
En étudiant le mouvement de Phobos dans un référentiel dont l’origine est confondue avec le centre de Mars , et qu’on suppose galiléen,
trouver :
2-1- La masse MM de Mars . (1 pt)
2-2- L’intensité de la pesanteur goM à la surface de Mars , et comparer la avec la valeur avec gMexp = 3,8 N.kg-1 mesurée à sa surface
moyennant des appareils sophistiqués . (1,5 pt)

Étude du mouvement d’un sportif dans le champ de pesanteur uniforme
Le ski est l’un des sports d’hiver les plus répandus dans les régions montagneuses , où les pratiquants de ce sport tentent de réaliser
de bonnes performances et de battre les records .
L’objectif de cet exercice est d’étudier le mouvement d’un sportif qui pratique le ski sur différentes trajectoires .
La piste de ski représentée sur la gure est composée de trois parties :
- Une partie A’B’ rectiligne de longueur A’B’ = 82,7 m inclinée de l’angle α = 14° par rapport au plan horizontal .
- Une partie B’C’ rectiligne de longueur L = 100 m .
- Une partie C’D’ circulaire .
plan horizontal
On modélise le skieur et son matériel par un corps solide (S) de masse m = 65 kg de centre d’inertie G , et prend g = 10 m.s-2 .
G passe par les points A , B , C et D comme le montre la gure , avec A’B’ = AB et B’C’ = BC .
1- Étude du mouvement sur la partie A’B’
A l’instant t = 0 , G part du point A sans vitesse initiale , et le corps (S) glisse sans frottement sur la partie A’B’ .
On repère la position de G à l’instant t par l’abscisse x dans le repère (A, i) et on considère que xG = 0 à t= 0 .
1-1- En appliquant la deuxième loi de Newton , trouver l’expression de l’accélération aG du mouvement de G en fonction de g et α . (0,75 pt)
1-2- Déterminer en justiant votre réponse la nature du mouvement de G sur cette partie . (0,25 pt)
1-3- En vous basant sur les équations horaires du mouvement , trouver la valeur vB de la vitesse de G au passage au point B . (0,75 pt)
2- Étude du mouvement sur la partie B’C’
Le corps (S) continue son mouvement sur la partie B’C’ en étant soumis aux frottement modélisés par la force fconstante et tangente à la
trajectoire et de sens contraire à celui du mouvement .
On considère que la valeur de vitesse de G à la position B ne varie pas lors du passage du corps (S) du plan incliné vers le plan horizontal .
Pour étudier le mouvement de G sur cette partie , on choisi un repère horizontal dont l’origine est confondu avec B et l’instant de passage
de G par ce point comme nouvelle origine des dates .
2-1- En appliquant la deuxième loi de Newton , déterminer la nature du mouvement de G sur la trajectoire BC . (0,5 pt)
2-2- Trouver l’expression de l’intensité f de la force de frottement en fonction de m , L , vB et vC la vitesse de G lors de son passage par la
position C , puis calculer f . On donne vC = 12 m.s-1 . (1 pt)
3- Étude du mouvement dans le champ de pesanteur uniforme
Lorsque le corps (S) quitte la piste , G passe par la position D à un instant considéré comme nouvelle origine des dates , avec la vitesse vD
formant l’angle θ = 45° avec le plan horizontal et tombe à la position P .
On étudie le mouvement de g dans le référentiel galiléen (D , i, j) et on néglige l’action de l’air au cours du mouvement .
3-1- Trouver les expressions des équations horaires x(t) et y(t) du mouvement de G et en déduire l’expression de l’équation de la
trajectoire . (1,25 pt)
3-2- Déterminer vD la vitesse de G lorsqu’il quitte la position D , sachant que les coordonnées de G lorsqu’il atteint la position D sont
xG = 15 m et yG = -5 m . (1 pt)
Les études dynamiques et énergétiques des systèmes mécanique dans différentes situations permettent de déterminer quelques
caractéristiques liées aux propriétés du système étudié et la connaissance de son évolution temporelle .
Cet exercice a pour objectif l’étude de deux situations mécaniques indépendantes .
Première situation
La poulie joue un rôle essentiel dans un ensemble d’appareils mécaniques et électromécaniques , parmi-elles les grues
g 1
qui soulèvent des charges que l’homme ne peut soulever manuellement ou avec des moyens rudimentaires.
On modélise la grue par une poulie (P ) homogène de rayon r = 20 cm capable de tourner autours d’un axe horizontal
(Δ) fixe confondu avec son axe de symétrie , et un corps solide (S1) de masse m1= 50 kg relié à la poulie (P ) par un fil
inextensible de masse négligeable passant par la gorge de la poulie et ne glisse pas dessus au cours du mouvement .
JΔ représente le moment d’inertie de la poulie par rapport à l’axe de rotation Δ .
La poulie (P ) tourne sous l’action d’un moteur qui applique sur elle un couple moteur de moment constant M = 104,2 N.m ,
et le corps (S1) se déplace vers le haut sans vitesse initiale .
On repère la position du centre d’inertie G1 du corps (S1) à un instant t par la cote z dans le référentiel (O , k) supposé
galiléen (Figure 1) .
1-1- En appliquant la deuxième loi de Newton et la relation fondamentale de la dynamique de rotation sur le système ( pouli -
(S1) - fil ) , montrer que l’expression de l’accélération aG1 du mouvement de G1 est : aG1 = M.r- m1.g.r2
m1.r2 + JΔ (1,5 pt)