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Histoires de ressort… Document : J-C.Bertrand & M.Moppert
B. 1. En supposant que la somme de toutes les énergies potentielles est nulle au point O, donnez l’expression
littérale de l’énergie mécanique Em du système à une date t quelconque en fonction de l’élongation x et de la
vitesse v du centre d’inertie G du solide (S). Précisez pourquoi cette énergie mécanique reste constante (système
conservatif).
On distinguera l’énergie potentielle de pesanteur Epp et l’énergie potentielle élastique Epe, et on
écrira :
Ep = Epp + Epe. Au point O : Ep = 0 => Epp = - Epe. Or, quand le centre d’inertie G coïncide avec le
point O, le ressort n’est ni étiré, ni comprimé, soit Epe = 0 pour cette position : donc Epp = 0 au
point O. Comme l’altitude ne varie pas, l’énergie potentielle de pesanteur reste constante et nulle
pendant les oscillations.
A une date quelconque, on peut alors écrire : Em = Ec + Epe soit Em =
Cette énergie mécanique reste constante car les frottements sont négligeables : amortissement
nul et amplitude des oscillations constante.
2. En déduire que l’équation différentielle régissant le mouvement de G peut s’écrire : m.
+ k.x = 0
= m.x’.x’’ + k.x.x’ (avec x’ =
et x’’ =
) => m.
+ k.x = 0
3. a) Vérifiez que la solution x(t) = A.cos (
0.t +
), avec
0 =
, convient pour cette équation
différentielle.
= -A.0.sin (0.t + ) et
= -A.
.cos (0.t + ) = -
.x
=> - m.
.x + kx = 0 : vrai si 0 =
.
b) Déterminez A (en fonction de a) et
.
A t = 0 , x = a et v0 = 0 => x(0) = A.cos = a et
= -A.0.sin = 0 => = 0 ou
Or cos > 0 => = 0 et A = a
4. a) Donnez les expressions littérales de l’énergie cinétique EC(t) et de l’énergie potentielle Ep(t) en fonction du
temps.
Ec =
=> Ec =
.m. [a.0.sin (0.t)]2 => Ec =
.m.a2.
.sin2(0.t) .
Or : 0 =
=> Ec =
.k.a2. sin2(0.t)
Epe =
=> Epe =
.k.[ a.cos (0.t)]2 => Epe =
.k.a2.cos2(0.t)
b) En déduire l’expression littérale de l’énergie mécanique Em(t) en fonction du temps. Cette expression confirme-
t-elle le fait que le système est conservatif ?
Em = Ec + Epe => Em =
.k.a2. sin2(0.t) +
.k.a2.cos2(0.t) =
.k.a2.[( sin2(0.t)+ cos2(0.t)]
=> Em =
.k.a2= Cte (le système est conservatif).