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Physique
MECANIQUE DU POINT MATERIEL
EXERCICE D’ ORAL
-EXERCICE 11.3• ENONCE :
« Différents mouvements d’un pendule »
x
O
z
!
g
L
(M)
y
!
v0
On considère un pendule simple constitué d'un fil inextensible
de longueur L et de masse négligeable, auquel est suspendu
un point matériel (M) de masse m.
L'autre extrémité est fixée en un point O et le mouvement de
(M) se fait dans le plan horizontal yOz.
A l'instant initial, le mobile (M) est lancé, fil tendu, avec une
!
!
vitesse horizontale : v0 = v0 e y
La rotation se fait sans frottements autour de l'axe Ox.
1) Quels sont les différents cas possibles pour le mouvement ultérieur du point matériel
(M) ?
2) Donner des conditions sur
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v0 pour obtenir chacun des cas décrits précédemment
Christian MAIRE
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MECANIQUE DU POINT MATERIEL
EXERCICE D’ ORAL
• CORRIGE :
«Différents mouvements d’un pendule »
1) Pour une vitesse initiale
v0 inférieure à une vitesse limite v01 , le mouvement peut être
oscillatoire, la corde restant tendue (dans le cas de petits angles de rotation, les oscillations
sont quasi-harmoniques, de pulsation
ω=
g
).
L
v01 ≺ v0 ≺ v02 , le fil se détend avant que le pendule ne puisse faire un tour complet (le
• Pour
point matériel décrit alors un bout de trajectoire parabolique, puis le fil se retend etc…).
v0 # v02 , le pendule effectue un mouvement révolutif, le fil restant toujours tendu.
• Pour
2)
x
O
z
!
L
!
T
θ
!
g
Tant que le fil reste tendu, la force de tension T exercée
par le fil ne travaille pas (elle reste perpendiculaire au
déplacement).
On peut donc appliquer la conservation de l'énergie
mécanique , ce qui sécrit en prenant l'origine des énergies
potentielles au point O:
y
(M)
!
mg
EC + EP = cste =
1 2
1
mv0 − mgL = mv 2 − mgL cosθ
2
2
v 2 = v02 + 2 gL(cos θ − 1)
On en déduit une 1ère relation :
(1)
• Par ailleurs, toujours pour le fil tendu, on applique le PFD au point (M) et on le projette sur le
vecteur normal de la base de Frenet, ce qui fournit :
maN = m
v2
v2
= T − mg cos θ ⇒ T = m + mg cos θ ⇒ grâce à (1), on obtient :
L
L
T (θ ) = m
v02
+ mg (3cos θ − 2)
L
• On peut alors définir 2 angles importants :
(2)
θV = angle pour lequel la vitesse s’annule, et θT
angle pour lequel la tension du fil devient nulle, c’est-à-dire que le fil se détend.
• Pour
v02
2L
♦ La relation (1) donne :
cosθV = 1 −
♦ La relation (2) donne :
2 v02
2
cosθ T = −
= cosθV
3 3 gL 3
v0 ≤ v01 = 2 gL : cosθV et cos θ T sont ≥ 0 , avec cosθV ≥ cos θ T ⇒ θ T ≥ θV ⇒ la vitesse
s’annule avant que le fil ne se détende ⇒ le mouvement peut être oscillatoire.
Rq : pour le cas limite
v0 = 2 gL , θV = θ T = π / 2 ⇒ la tension devient nulle en même temps que
la vitesse.
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EXERCICE D’ ORAL
• Lorsque l’angle de rotation
θ
dépasse la valeur
π / 2 , cosθV et cos θ T
sont
≤0 ⇒
cosθV ≤ cos θ T ⇒ θ T ≤ θV : c’est donc cette fois vers la tension qu’il faut se tourner pour savoir si
le mouvement peut être révolutif ou non. La relation (2) montre que c’est en θ = π que la
tension est la plus faible ; elle y est nulle pour :
2
v02
+ mg (3cos π − 2) ⇒ v02 = 5 gL
⇒ le mouvement est révolutif pour v0 ≥ v02 .
L
• Pour v01 ≺ v0 ≺ v02 , le fil se détend pour un angle de rotation θ tel que π / 2 ≺ θ ≺ π , et le
0=m
mouvement n’est ni oscillatoire, ni révolutif.
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