1
Mouvement balistique d’un projectile.
Influence de la r•sistance de l’air
Etudier le mouvement d’un point mat•riel dans un champ de pesanteur uniforme
.
g
 
z
g u
,
en n•gligeant dans un premier temps le freinage a•rodynamique (r•sistance de l’air). Les
conditions initiales qui d•finissent ce probl‚me de tir balistique sont : 0
0
r
,
0
(cos .sin . )
v
 
 
0
v i k
avec 0
 
.
1. D•terminer les •quations x(t), y(t), z(t) du mouvement et la nature de la trajectoire
La relation fondamentale de la dynamique (RFD) pour un objet ponctuel s'écrit: .m
a F
Soit:
. .
m g
 
a k
en projetant cette équation vectorielle sur les 3 axes, il vient 3 équations:
0
x
ma
=>
0
x
dv
m
dt
soit
0.
x
mdv dt
[1]
0
y
ma
=>
0
y
dv
m
dt
soit
0.
y
mdv dt
[2]
z
ma g
 
=> z
dv
m g
dt
 
soit
.
z
mdv g dt
  [3]
Les équations [1], [2] et [3] sont des équations différentielles à variables séparées qui peuvent
être intégrées membre à membre. Le temps varie de 0 à t, les conditions initiales (t=0) de la
vitesse sont: 0
.cos
v
, 0 et 0
.sin
v
0cos
0
x
v
x
v
mdv
=> 0
cos 0
x
mv mv
 
soit 0
.cos
x
v v
0
0
y
v
y
mdv
=>
0 0
y
mv
 
soit
0
y
v
0sin 0
z
vt
z
v
mdv mg dt
 
 
=> 0
.sin ( 0)
z
mv mv mg t
 
soit 0
.sin
z
v gt v
 
Sur Ox la vitesse du projectile reste constante. Elle reste nulle sur Oy.
Le mouvement sur Oz est un mouvement uniformément accélérée.
0
.cos
x
v v
=> 0
.cos
dx v
dt
=> 0
.cos .
dx v dt
[4]
2
0
y
v
=>
0
dy
dt
=>
0.
dy dt
[5]
0
.sin
z
v gt v
  => 0
.sin
dz gt v
dt
  => 0
..sin .
dz gt dt v dt
  [6]
Les équations [4], [5] et [6] sont des équations différentielles à variables séparées qui peuvent
être intégrées membre à membre. Si le temps varie de 0 à t, les conditions initiales (t=0) de la
position sont: 0 0 0
0
x y z
 
0
0 0
.cos
x t
dx v dt
 
=> 0
0.cos .( 0)
x v t
 
=> 0
.cos .
x v t
[7]
0 0
0
yt
dy dt
 
=>
0 0( 0)
y t
 
=>
0
y
[8]
0
0 0 0
.sin
z t t
dz gt dt v dt
 
 
=> 0
1
0 . ² .sin .
2
z g t v t
  => 0
1
. ² .sin .
2
z g t v t
  [9]
Les équations [7], [8] et [9] sont les équations paramétriques (ou équations horaires) du
mouvement du projectile.
L'équation de la trajectoire est obtenue en éliminant le temps entre les équations [7] et [9]:
[7] =>
0
.cos
x
tv
par substitution de tdans [9], il vient:
0
1 ( sin
.
2 ( .cos cos
x
z g x
v
 
  c'est l'équation d'une parabole.
2. Exprimer la port•e X(α) du tir.
Pour déterminer la portée il y a 2 solutions:
Le calcul le plus simple est de chercher les valeurs de z qui correspondent à z=0.
L'équation du mouvement sur z [9] peut s'écrire: 0
1
( . .sin )
2
z t g t v
 
Cette équation a 2 racines (z=0)
l'une pour t=0 [départ du projectile],
l'autre pour 0
2.sin
v
tg
[atterrissage du projectile au point P]
La portée est la valeur de x qui correspond à l'instant de l'atterrissage du projectile. La portée
est obtenue en reportant cette valeur du temps dans l'équation [7]:
2
0
2
.cos .sin
v
Xg
 
[10]
3
Remarque: Pour d•terminer X on peut aussi calculer le temps pendant lequel le projectile a
une vitesse ascendante (
0
z
v
). Comme 0
.sin
z
v gt v
 
0
z
v
=> 0
.sin
v
tg
La phase a•rienne dure 2 fois ce temps (X dans [7]) d’ou: 0
0
2. .sin
.cos .v
x v g
3. D•terminer la valeur
0
qui rend X(α) maximum pour une vitesse initiale
0
v
donn•e ainsi
que la valeur X0 de ce maximum.
La portée est une fonction de α. Pour déterminer le maximum de la portée il faut connaître sa
variation en fonction de α:
2
0
2
(cos²sin ² )
vdX
d g
 
 
Pour
[0, ]
2
0
dX
d
si
[0, [
4
,
0
dX
d
si
] , ]
4 2
 
et
0
dX
d
si
4
La portée maximale vaut:
2
0
2
v
X
g
et 0
4
4. Montrer que, pour X<X0, un point du plan z=0 peut „tre atteint de deux fa…ons dont on
pr•cisera comment les inclinaisons
1
et
2
sont dispos•es g•om•triquement par rapport
0
.
La portée 2
0
2
.cos .sin
v
Xg
 
[10] a la même valeur pour une valeur
1
de l'angle de tir et
son complément
2 1
( )
2
 
  . Les directions
1
et
2
sont symétrique par rapport à la
direction
0
du tir correspondant à la portée maximale.
5. On reprend le probl‚me pr•c•dent, en supposant d•sormais que le point mat•riel est en
plus soumis la r•sistance de l’air, mod•lis•e par une force: a•ro
F m v
 
. D•terminer
nouveau les •quations du mouvement.
La relation fondamentale de la dynamique devient : .z
ma F g u m v
 
 
En projetant cette équation vectorielle sur les 3 axes, il vient 3 équations:
x
x x
dv
ma m m v
dt
  => x
x
dv
dt
v
  [11]
4
y
y y
dv
ma m m v
dt
  => y
y
dv
dt
v
  [12]
z z
ma mg m v
  => z
z
dv
v g
dt
 
[13]
Les €quations [11] et [12] sont des €quations diff€rentielles variables s€par€es qui peuvent
‚tre int€gr€es membre membre. Si le temps varie de 0 t, les conditions initiales (t=0) de la
vitesse sont: 0
.cos
v
et 0
0.cos 0
x
vt
x
x
v
dv
dt
v
 
 
=> 0
ln ln .cos ( 0)
x
v v t
 
 
=> 0
.cos .
t
x
v v e
La vitesse sur x d€croit exponentiellement
[12]
0 0
y
vt
y
y
dv
dt
v
 
 
=>
0.
t
y
v e
=>
0
y
v
Ces 2 €quations donnent ais€ment les €quations horaires sur xet y:
[11] 0
.cos .
t
dx
v e
dt
=> 0
0 0
.cos .
x t
t
dx v e dt
 
soit 0.cos
(1 )
t
v
x e
 
[12]
0
dy
dt
=>
0
y
L'€quation [13] est une €quation diff€rentielle du premier ordre avec un second membre
constant.
Rappel : La solution g•n•rale d’une •quation diff•rentielle du premier ordre avec un second
membre constant est •gale la solution g•n•rale de l'•quation sans second membre plus une
solution particuli‚re de l'•quation avec second membre.
L'€quation sans second membre
0
z
z
dv v
dt
 
=> z
z
dv
dt
v
  est une €quation du premier
ordre variable s€par€e de la m‚me forme que les €quations [11] et [12].
z
z
dv
dt
v
  par analogie avec [11] =>
.
t
z
v A e
Une solution particuliƒre de l’€quation diff€rentielle z
z
dv
v g
dt
 
est: z
g
v
 
D’oula solution g€n€rale de [13]: .t
z
g
v A e
 
A t=0, la vitesse est: 0
.sin
v
d’o… 0.sin
g
v A
 
soit 0
(.sin ). t
z
g g
v v e
 
 
5
Cette €quation s'€crit: 0
(.sin ). t
dz g g
v e
dt
 
 
soit 0
(.sin ). . .
t
g g
dz v e dt dt
 
 
Cette €quation diff€rentielle du premier ordre variables s€par€es peut ‚tre int€gr€e membre
membre: 0
0 0 0
(.sin )
z t t
t
g g
dz v e dt dt
 
 
 
soit:
0
1
0 ( .sin ) ( 1) ( 0)
t
g g
z v e t
 
 
soit -
λt
0
g 1 g
z=- t+ (v .sin
α+ )(1-e )
λ λ λ
Application numérique
Comparaison de 2 trajectoires balistiques avec et sans effet a€rodynamique.
0
4
, 0
v
6m/s, g = 9.81 m/sˆ λ=0.02
1
s
0
0.4
0.8
1.2
1.6
00.5 11.5 22.5 3
X
Y
Figure: Trajectoires d'un projectile soumis à l'accélération de la pesanteur et subissant (en
rose)ou non (en bleu) une force de freinage aérodynamique.
Remarque 1: Il est fréquent de trouver dans des exercices des forces de freinage
aérodynamiques de la forme aéro
F m v
 
. Ce type de force représente assez bien le
phénomène à basse vitesse. Dès que la vitesse est supérieure à 5 ou 6 m/s, il est nécessaire de
prendre une représentation de la forme:
ˆ
| |
aéro
v
Fkv
v
 
. Dans ce cas les équations
différentielles qui en résultent n'ont généralement pas de solution analytique.
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