Un pendule ayant une longueur de 20 m et une masse de 1 kg a

Un pendule ayant une longueur de 20 m et une masse de 1 kg a
une vitesse de 5 m/s quand il est à la position d’équilibre. Quelle
est la vitesse du pendule quand il fait un angle de 10° ?
www.michaelfreemanphoto.com/media/1714951c-8d53-11e1-b996-f18e61a19d8d-foucault-pendulum
Découvrez comment résoudre ce problème dans ce chapitre.

Luc Tremblay Collège Mérici, Québec
Version 2016b 1-Les oscillations harmoniques 2
Description du mouvement avec un sinus
Quand un objet est en oscillation, il passe continuellement d’un côté à l’autre d’une position
appelée la position d’équilibre. Ce pourrait être, par exemple,
un pendule. Dans ce cas, la masse passe alternativement d’un
côté à l’autre de la position d’équilibre, qui est au point le
plus bas du mouvement du pendule.
Si on pose que la position d’équilibre est à x = 0, cela signifie
que la position prend alternativement des valeurs positives et
négatives. Le graphique de la position de l’objet en fonction
du temps pourrait donc ressembler au graphique suivant.
blogs.rediff.com/physicshomeworkhelp/2
013/03/20/simple-pendulum-experiment/
Le graphique peut prendre une multitude de formes. La seule chose qui indique qu’il y a
une oscillation c’est la répétition d’un mouvement identique à chaque cycle.
Il y a cependant un cas très important : le mouvement d’oscillation décrit par une fonction
sinusoïdale. On parle alors d’oscillation harmonique. Dans ce cas, la position est donnée
par la formule
2
sinxA t
T
(De façon correcte, on parle ici de mouvement harmonique simple. Dans le mouvement
harmonique complexe, il faudrait plusieurs fonctions sinusoïdales additionnées pour
décrire le mouvement.)

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Version 2016b 1-Les oscillations harmoniques 3
Prenons un exemple pour illustrer un mouvement d’oscillation harmonique. Supposons que
la position soit donnée par
2
3sin
2
xcm t
s
Le graphique de ce mouvement est
illustré sur la figure ci-contre.
Dans ce clip, vous pouvez voir que le
graphique de la position en fonction du temps pour un système masse-ressort (qui est un
système qui fait une oscillation harmonique) est un graphique identique à celui de la figure.
http://www.youtube.com/watch?v=T7fRGXc9SBI
Dans la formule, A est l’amplitude du
mouvement. Elle permet d’ajuster la
hauteur du sinus. Normalement, un sinus a
une valeur maximale de 1 et une valeur
minimale de -1. En multipliant par A, le
sinus aura alors une valeur maximale de A
et une valeur maximale de –A. Cette
amplitude indique la plus grande distance
qu’il peut y avoir entre l’objet et la position
d’équilibre. Dans notre exemple,
l’amplitude est de 3 cm.
T est la période du mouvement. Elle indique
le temps que prend l’objet pour faire un cycle
d’oscillation. Normalement, un sinus a une
période de 2 (en radians). En multipliant le
temps par 2/T, le sinus aura alors une
période de T. Dans notre exemple, la période
est de 2 secondes.
Erreur fréquente : Utiliser une calculatrice en
degrés
Les valeurs à l’intérieur des fonctions trigonométriques sont en radians dans ce chapitre. Il
est très courant de voir des gens qui ont oublié de mettre leur calculatrice en radians et qui
obtiennent des valeurs erronées.
f est la fréquence. Elle indique le nombre d’oscillations fait par l’objet en une seconde. Elle
est mesurée en hertz (Hz), qui sont des s
-1.

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Version 2016b 1-Les oscillations harmoniques 4
Évidemment, il y a un lien entre la période et la fréquence puisque, plus l’objet fera
d’oscillations par seconde, plus la période sera petite. Si l’objet fait 10 oscillations par
secondes, cela signifie que chaque oscillation dure 0,1 s (1 seconde / 10). Si l’objet fait 50
oscillations par secondes, chaque oscillation dure 0,02 s (1 seconde / 50). On a donc
Lien entre T et f
1
Tf
On peut donc écrire la fonction sinusoïdale sous la forme
sin 2xA ft
La quantité 2f revient continuellement dans l’étude des oscillations harmoniques. Les
physiciens se sont donc tannés de l’écrire et ont décidé d’utiliser un symbole pour la
représenter. C’est la fréquence angulaire.
Définition de la fréquence angulaire
2
2fT
La fréquence angulaire est en rad/s et elle représente le nombre de cycles d’oscillation
effectué durant un temps de 2 secondes.
Notre fonction sinusoïdale peut donc s’écrire sous la forme
sinxA t
Ce n’est toujours pas notre formule la plus générale pour décrire le mouvement
d’oscillation, même si on peut ajuster l’amplitude et la période. On doit aussi pouvoir
ajuster le début du mouvement. On n’est pas obligé de commencer le mouvement
d’oscillation à x = 0 comme on doit avoir avec un sinus. Par exemple, le mouvement
d’oscillation pourrait commencer à la position maximum comme illustré sur ce graphique.

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Ce graphique ne correspond pas au graphique d’un sinus. On doit pouvoir changer quelque
chose dans le sinus pour arriver à représenter cette fonction. En fait, la forme de la fonction
n’a pas changé, le sinus n’est que déplacé le long de l’axe du temps. On a donc une
translation de la fonction.
Sur ce graphique, on déplace notre fonction sinus de t vers la gauche.
En pointillé, on voit les axes du départ qui se sont déplacés avec la fonction. Avec les axes
en pointillé, nous avons toujours notre graphique du sinus. L’équation est donc
'sin'xA t
Avec les axes en lignes continues, nous avons notre sinus qui ne commence pas à zéro. On
peut déterminer l’équation de ce sinus en trouvant les lois de transformation entre les
coordonnées x’ et t’ et les coordonnées x et t. Comme on n’a pas changé de hauteur par
rapport aux axes horizontaux lors du déplacement, on n’a pas changé les valeurs de x
'
x
x
Les points du graphique ne sont cependant pas à la même distance des axes verticaux
puisque l’axe x’ est t plus à gauche.
La loi de transformation est donc
'tt t