II. Pendule balistique
Le pendule balistique servait à mesurer la vitesse des
balles avant l’invention d’appareils électroniques. Le
modèle schématisé sur la figure ci-contre consiste en un
bloc de bois de masse M = 5 kg.
Le bloc est initialement au repos. On tire une balle de
masse m = 10 g horizontalement dans le bloc où elle
reste prisonnière. Le bloc et la balle se balancent alors
vers le haut pour atteindre une élévation maximale à
partir de laquelle on en déduit le module de la vitesse
de la balle avant la collision. On posera g=10 m/s2.
Etude du pendule :
Pour simplifier les calculs, on assimilera le bloc à un cube homogène de côté a. On négligera la
masse de la balle. Le moment d’inertie du bloc par rapport à un axe qui passe par son centre de
masse G est 𝑰=𝟏
𝟔
𝑴𝒂𝟐. Il est fixé à l’axe de rotation en O par une tige rigide de masse
négligeable. La distance entre G, le centre de masse du pendule, et l’axe de rotation est égale à
2a.
1) Donner l’expression de IO, le moment d’inertie par rapport à l’axe de rotation.
𝐼!=𝐼+𝑀(2𝑎)!=!"
!
𝑀𝑎!
2) On suppose que le bloc et sa tige peuvent tourner librement autour de l’axe de rotation,
sans frottement. Si le bloc a tourné d’un angle 𝜽𝟎 par rapport à sa position d’équilibre,
montrer que la variation d’énergie potentielle de pesanteur est 𝚫𝑬𝒑 =𝑴𝒈(𝟏−𝐜𝐨𝐬 𝜽𝟎).
Attention, erreur d’énoncé : l’expression correcte est Δ𝐸𝑝 =𝑀𝑔2𝑎(1−cos 𝜃!)
3) Juste après le choc avec la balle, le bloc, en position verticale, a une vitesse v. En déduire
sa vitesse angulaire initiale en fonction de v et a. 𝜔!=!
!!
Quelle est son énergie cinétique initiale ? 𝐸𝑐!=!
!
𝐼!𝜔!
!=!"
!"
𝑀𝑣!
4) En déduire une relation entre v et 𝜽𝟎. Δ𝐸𝑐 =−Δ𝐸𝑝 ⇒𝑣=2𝑎!!"#(!!cos !!)
!!
Faire l’application numérique si 𝜽𝟎=𝟑𝟎° et 𝒂=𝟏𝟓 cm. 𝑣=0,88 m/s.
Etude du choc :
5) La balle va s’encastrer dans le bloc en bois. De quel type de choc s’agit-il ?
Choc mou
6) Connaissant la vitesse de v de l’ensemble bloc+balle juste après le choc, quelle est la
vitesse de la balle vb avant le choc ?
Conservation de la quantité de mouvement ⟹𝑣!=!!!
!
𝑣
Faire l’application numérique. 𝑣!=439 m/s
III. Pluton et Charon
Pluton, qui a longtemps été la dernière planète du système solaire avant d’être déclassée, a trois
satellites connus. Nous ne considérerons que le plus gros d’entre eux, Charon. Tout au long de
l’exercice, on négligera l’attraction du Soleil.