Correction du Devoir Maison - Mécanique non galiléenne - MPSI 1 Lycée Chaptal - 2012
Correction du Devoir Maison - Mécanique non galiléenne
I - Ressort en rotation
1Le référentiel de la tige est en rotation uniforme autour de celui du labo qui est lui, dans une bonne approxi-
mation, galilléen. Il n’est donc pas galiléen.
2Pour une rotation uniforme, on a immédiatement d’après le cours, et en notant Hle projeté orthogonal de M
sur l’axe de rotation, qui s’identifie donc avec O:
fe=2
HM =2
OM
soit
fe=2x1(t)
ex1
De même, on a
fc=2m
Vr=2
ez˙x1
ex1, soit
fc=2˙x1
ey1
3L’accélération dans le référentiel de la tige est m¨x1
ex1, ce qui conduit par le PFD à
m¨x1
ex1=m
g+
Rk(x10)
ex1+
fe+
fc
En projetant celui-ci
ex1, et sachant que
R·
ex1= 0 en l’absence de forttements, on a :
m¨x1=k(x10) + 2x1
finalement ¨x1+k2
mx1=k0
m
4Á l’équilibre dans le référentiel de la tige, ¨x1= 0 donc
xe=02
2ω2
xen’existe donc dans R+que si > ω.
5L’équation différentielle se réécrit
¨x1+ω02x1=02
de solution x1(t) = xe+Acos(ω0t) + Bsin(ω0t)
Les conditions initiales donnent
x1(0) = 0 xe+A=0soit A=0xe=0ω2
2ω2
˙x1(0) = 0 Bω0= 0 soit B= 0
1
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x1(t) = xe0ω2
2ω2cos(ω0t) = 0
2ω22ω2cos(ω0t)
La solution est oscillante, l’équilibre est donc stable !
6La projection du PFD selon
ey1conduit cette fois-ci à
0 = Ry2˙x1
L’expression obtenue à la question précédente de x1(t)permet de calculer la dérivée et donne
Ry=2mℓ0ω3
ω0
sin(ω0t)
La projection selon
ezdonne elle Rz=mg
7La nouvelle équation différentielle est désormais, en posant ω2
0=ω22,
¨x1ω02x1=02
Ainsi x1(t) = xe+Ach (ω0t) + Bsh (ω0t)
L’équilibre n’existe donc pas, puisque la solution est explosive (sauf si on est en t= 0 en xeavec une vitesse nulle,
mais tout écart de cette position conduira le point Mà l’infini). En pratique, le ressort cassera avant !
8
R,
fcet
Pne travaillent pas! Restent la force d’entrainement et le ressort qui fournissent l’énergie potentielle
Ep=1
2k(x10)21
22x12
L’énergie mécanique totale dans le référentiel de la tige, obtenue en ajoutant l’énergie cinétique due à la vitesse
relative, vaut donc
Em=1
2mvr2+1
2k(x10)21
22x12
expression dans laquelle
vr= ˙x1
ex1. En l’absence de frottement, cette énergie se conserve, et une dérivation donne
0 = m¨x1˙x1+k(x10) ˙x12˙x1x1
Si la dérivée de x1était identiquement nulle, cela signifierait que Mne bouge pas, cette situation est sans intérêt.
On peut donc diviser par cette dérivée, et parvenir à
¨x1+k2
mx1=k0
m
qui est bien la même équation différentielle! Ouf !
9On recherche les positions d’équilibre parmi les points permettant d’annuler la dérivée de l’énergie potentielle :
dEp
dx1
=k(x10) ˙x12˙x1x1
qui s’annule pour x1=xEavec k(xE0) = 2xE
soit xE=xe
C’est bien la même solution, re-ouf ! Pour la stabilité, on calcule la dérivée seconde et on regarde son signe au point
d’équilibre :
d2Ep
dx12=k(x10) ¨x1+k( ˙x1)22¨x1x12( ˙x1)2
2
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qui évalué pour x1=xevaut d2Ep
dx12=m(Ω2ω2)( ¨xe)2>0
L’équilibre est donc stable ! !
II - Un pendule dans une voiture
1Le référentiel de l’auto Ran’est pas galiléen car il est uniformément accéléré par rapport à celui du laboratoire
qui est galiléen avec une bonne approximation pour la durée de l’expérience. Dans Ra, les forces qui s’appliquent
sont les forces d’inertie, le poids et la tension du fil. Or, pour ce mouvement de translation, le vecteur taux de
rotation est nul, par conséquent la force d’inertie de Coriolis est nulle, et on a
fe=m
ae=ma0
uy
Á l’équilibre, la projection des forces sur l’axe
uxdonne
mg Tcos αe= 0
et selon
uyma0Tsin αe= 0
ainsi tan αe=a0
g
Ceci est cohérent avec l’intuition : si le véhicule accélère fort, a0augmente et αeaussi : le pendule devient
« plus horizontal ». Si la gravité était plus forte, le pendule serait au contraire « plus vertical » et aurait
plus de mal à « décoller ».
2Dans le référentiel de l’auto, on a
M
T(O1) =
0
M
P(O1) =
O1M
P=mgsin α
ez
M
fe
(O1) =
O1Mma0
uy=ma0cos α
ez
σ(O1) =
O1Mm
vr=mℓ2˙α
ez
3Le théorème du moment cinétique en projection sur
ezdonne
mℓ2¨α=ma0cos αmgℓ sin α
En posant ε=αeα, on a
¨α=¨ε=a0
cos(αeε)g
sin(αeε)
εétant petit, on peut écrire
cos(αeε) = cos αecos εsin αesin εcos αeεsin αe
et sin(αeε) = sin αecos εcos αesin εsin αeεcos αe
L’équation se réécrit par conséquent
3
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¨ε= cos αea0
g
tan αe
  
= 0 ! +εcos αea0
tan αe+g
qui vaut ¨ε+ε2= 0 avec 2= cos αea02
g+g
4Une identité trigonométrique fournit
cos αe=1
1 + tan2αe
ou encore cos αe=g
a02+g2
5
T=2π
= 2π
a02+g2
On peut étudier deux cas particulier :
a0= 0 :T= 2πℓ/g, on retrouve le pendule simple !
a0=:T= 0, le pendule n’oscille plus, il est en apesanteur !
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