Exercices mécanique du point

Enoncés
1) Une chaîne de longueur totale L repose sur le bord d’une table horizontale, maintenue à son extrémité A.
A t = 0, AO = l0. On l’abandonne sans vitesse. On néglige tout frottement.
a) Exprimer la variation d’énergie potentielle dEp de la chaîne pendant une durée dt de chute en
introduisant le petit bout de masse δm qui s’est déplacé sur la table dans cette durée.
b) Relier δm à la masse linéique λ de la chaîne et à la longueur de déplacement dx de la chaîne pendant
dt. (Une masse linéique est une masse par unité de longueur, de même qu’une masse volumique est
une masse par unité de volume). En déduire dEp fonction de la variable x.
c) Exprimer l’énergie cinétique de la chaîne entière. (On se rendra compte que chaque élément de la
chaîne possède la même vitesse).
˙˙ ± ω 2 x = 0 . Exprimer ω et
d) Montrer que l’équation différentielle du mouvement de la chaîne s’écrit x
préciser le signe + ou - . Pouvait-on prévoir ce signe ?
e) Exprimer x(t).
€
2) Un anneau A de masse m coulisse sans frottement sur un cercle contenu dans un plan vertical. L’anneau est
lié à un ressort de raideur k dont l’autre extrémité est fixée en O. On néglige la longueur à vide du ressort.
a)
Quelle doit être la vitesse v0 de passage au point A0 (cf schéma) pour que le mobile atteigne avec une
vitesse nulle le point C le plus haut ?
b) Quelle est l’expression de la réaction du cercle sur l’anneau lorsque celui-ci passe au point O ?
3) On lance verticalement de la Terre une fusée de masse m avec une vitesse V0 par rapport au référentiel
géocentrique. Quelle sera la hauteur H maximale atteinte si on néglige tout frottement ? On suppose connus le
rayon terrestre et la masse de la Terre.
Corrigés
1) a) Tout se passe comme si entre t et t+dt un petit bout de masse δm était passé de l’altitude 0 à l’altitude x., d’où
dEp= - δm g x
Autre façon de voir : L’ énergie potentielle de pesanteur ne varie que dans la partie verticale dont chaque petit
maillon de masse δm maillon situé à l’ordonnée x maillon contribue à l’énergie potentielle δEp= - δm maillongxmaillon .(signe
– car l’axe x est choisi descendant). Si on ajoute les contributions de tous les maillons verticaux on s’aperçoit que
par
€ symétrie (puisque la masse est répartie de façon homogène) l’énergie potentielle de cette partie verticale est
Ep= -mgx/2 où m désigne la masse de la partie verticale à t et x sa longueur à t.
A t + dt on a donc Ep+ dEp= - ( m +δm)g(x+dx)/2
d’où dE p = - ( m + δm)g(x+dx)/2 + mgx/2.
Le calcul conduit à 5 termes dont 2 s’éliminent. Un autre contient le produit de 2 infiniment petits δm dx alors
que les 2 derniers ne contiennent qu’un seul infiniment petit. On néglige donc le plus faible de ces 3 termes ce qui
mène à :
dEp= -δmgx/2 – mgdx/2
En utilisant la définition de la densité linéïque , on a δm = λdx et m =λx ce qui donne dEp = -δmgdx
€
€
Autre façon de trouver mais cela cache la vision du phénomène : Ep = - mgx/2 à t
différentie, sachant que la masse verticale m et sa longueur x varient : dEp= - dm g x/2 – mg dx/2
€ On
dm désigne la variation de masse de la partie verticale correspondant au déplacement dx de la chaîne pendant dt
C’est donc aussi δm. On aboutit là aussi au même résultat.
Une autre façon encore est de partir de la définition δW= - dE p . Il faut ici calculer le travail du poids de chaque
maillon descendant pendant dt.
Chaque maillon a la masse δm. Ils ont chacun le même déplacement dx. D’où dEp= - ∫ δmgdx ; l’intégration donne
dEp=-δmgΔx = -δmgx
La difficulté ici est de bien comprendre qu’on intègre sur x et non sur m.
€
b) δm = λdx d’où dEp= - λ g x dx
c) E c =
1 2 1
m˙x = λL˙x 2
2
2
d) En l’absence de frottement l’énergie mécanique se conserve : dEc +dEp= 0 ou encore
dE c dE p
+
=0
dt
dt
€
soit
λL˙xx˙˙ − λgx˙x = 0 ou encore ˙x˙ −
g
x =0
L
d’où ω2=g/L
€
Le signe – implique l’absence d’oscillations ce qui correspond à l’intuition physique.
e) La solution s’écrit x = Aeωt + Be-ωt
€
Les conditions initiales donnent
à t=0 , x = L-l0 et
€
On en conclut A = B = (L-l0)/2
Finalement x =
x˙ = 0 d’où L-l0 = A + B et 0 = (A-B)ω
L − l0 ωt
e + e−ωt ) = ( L − l0 )chωt
(
2
€
2) a) L’anneau dans le champ de pesanteur et lié au ressort est pseudo-isolé puisque non soumis à des frottements : la
seule force ne dérivant pas d’une énergie potentielle est la réaction perpendiculaire à la trajectoire ; son travail est nul.
Donc Em =
€Cte Comme on ne demande pas d’équation différentielle on peut se contenter d’écrire Em(A 0) = Em(C )
Cela conduit à k OA02+ m v02 = 0 +2 mga + k (2a)2 après multiplication par un facteur 2 et en ayant pris l’origine
des énergies potentielles de pesanteur en O. VEILLER à bien SEPARER les 2 termes d’énergie potentielle d’élasticité
et de pesanteur puisque le ressort n’est PAS VERTICAL.
De plus géométriquement OA02 = 4a2sin 245° = 2a2
On déduit des 2 relations précédentes v02= 2ga + 2ka 2/m après 1 ligne de calcul.
b) Le théorème de l’énergie mécaniquer faitrdisparaître
l’action de contact Rn. Pour l’obtenir, il faut appliquer le
r
r
théorème du centre d’inertie à m : P + Rn + T = ma
Lorsque m est en O , la tension est nulle ; la projection sur la verticale conduit à –R n+mg =-ma θ˙
Pour un mouvement circulaire v = a θ˙
Après remplacement on€obtient Rn(en O)= m(g + v2(en O)/a)
€
€
2
Il n’y a plus qu’à trouver l’expression de la vitesse en O par le théorème de l’énergie mécanique appliqué
entre O et C :
obtient :
1 2
1
2
mv (en O) = 2mga + k (2a) Ayant la vitesse en O , on remplace dans Rn et on
2
2
Rn = 5mg + 4 ka
€
3) Le système fusée dans le champ de gravitation de la Terre est isolé puisqu’on néglige les frottements. On peut
appliquer le théorème de l’énergie mécanique entre le lancement et la fin ce course ; sachant que le mouvement est
supposé vertical. On note r la distance entre la fusée et le centre de la Terre.
1
GmMT
GmMT
E m = mV02 −
=0−
2
RT
RT + H
€
€
De cette relation on tire H =
€
€
RT
− RT
V02 RT
1−
2GMT