DS no7
Chute d’une balle de tennis de table
L’´etude exp´erimentale de la chute sans vitesse initiale
d’une balle de tennis de table («pig-pong »)afourni
les r´esultats suivants :
–Massedelaballe:m=2,50 ±0,05 g ;
–Diam`etre:D=3,8cm;
–Vitesselimitedechute:vlim =7,12 m.s1.
1. La masse volumique ρde l’air est ´egale `a 1,3kg.m3.
Montrez que la pouss´ee d’Archim`ede s’exer¸cant sur
la balle peut ˆetre n´eglig´ee par rapport `a une autre
force en pr´esence. Comme `a chaque fois qu’il est
question de forces, on ne manquera pas de pr´eciser
leurs quatre caract´eristiques.
2. On propose d’exprimer par F=Kv2la valeur de la
force de frottement exerc´ee par l’air.
a. Dressez un sch´ema sommaire repr´esentant les
forces appliqu´ees `a la balle au cours de la chute.
b. ´
Etablissez l´equation di´erentielle v´erifi´ee par
v(t), coordonee verticale du vecteur vitesse du
centre d’inertie G.
3. On se propose de v´erifier que K=4,84 ×104uni-
es du syst`eme international (si vous bloquez sur ces
questions, vous pouvez passer directement au 4ou
au 5,puisquejevousdonnelavaleurdeK).
a. Exprimez Ken fonction de mg et de vlim.
b. eriez par le calcul la valeur de K,etpr´ecisez
son unit´e.
4. On s’ineresse maintenant `a la valeur du temps ca-
ract´eristique τ.Pourcela,ontracelacourbedela
vitesse ven fonction du temps t,ci-dessous.
a. Quelle est la valeur de la pente de la tangente `a
la courbe v=f(t)`alorigine?R´epondez`acette
question par une formule litt´erale et par un r´e-
sultat num´erique accompagn´e de son unit´e, en
notant a0la valeur de cette pente.
Tracez la tangente pr´ec´edente sur le sch´ema ci-
dessus. L’´enonc´e sera joint `a votre copie.
b. Compl´etez le scema pour faire apparaˆıtre le
temps caract´eristique τ.
c. Donnez l’expression litt´erale puis calculez la va-
leur de τ.
5. L’enregistrement du mouvement a permis de d´eter-
miner la vitesse v1=4,25 m.s1`a l a d a t e t1=
0,500 s.
a. Calculez la valeur a1de l’acc´el´eration de la balle
`a l a d a t e t1.
b. Par la m´ethode dEuler, calculez la valeur de la
vitesse de la balle `a la date t2=0,510 s.
Donn´ee :g=9,81 m.s2.
0t
v(m.s1)
##
#
Corrig´e DS no7
Chute d’une balle de tennis de table
1. Masse d’air d´eplac´ee :
mair =ρV=4
3πρ !D
2"3
Application num´erique :
mair =4π
3×1,3×!3,8×102
2"2
=3,7×105kg
c’est-`a-dire 0,037 g, valeur inf´erieure `a la pecision
de la balance de 0,05 g, donc n´egligeable devant la
masse de la balle.
Poids −→
P:
–direction:verticale;
–sens:verslebas;
–pointdapplication:centredinertieG;
–valeur:P=mg ;
Pousee dArchim`ede −→
Π:
–direction:verticale;
–sens:verslehaut;
–pointdapplication:centredinertieG;
–valeur:Π=mairg;
On constate que mair $mimplique Π$P,cest-
`a - d i r e q u e l a p o u s s ´e e d ’ A r c h i m `e d e e s t n ´e g l i g e a b l e
devant le poids de la balle.
2. a . −→
F
−→
P
−→g
O
z
−→
k
b. Syst`eme : balle de ping-pong ;
ef´erentiel suppoe galieen, rep`ere daxe (Oz)
vertical descendant ;
Bilan des forces :
–poids−→
P=m−→g=mg −→
k;
–forcedefrottementoppos´eeaumouvement
−→
F=Kv2−→
k.
´
El´ements cin´ematiques : −→v=v−→
ket −→a=dv
dt
−→
k
Deuxi`eme loi de Newton :
−→
P+−→
F=m−→a
En projection sur −→
k:
mdv
dt=mg Kv2
3. a . Lorsque vvlim,dv
dt0etl´equationdi´eren-
tielle s’´ecrit :
0=mg Kv2
lim K=mg
v2
lim
b. Unit´e de K:
[K]=kg ×m×s2
m2×s2=kg.m1
Application num´erique :
K=2,50 ×103×9,81
(7,12)2=4,84 ×104kg.m1
4. a . La pente de la courbe v=f(t)estlavaleurdesa
eriee temporelle dv
dt.Cettederni`ereestdonn´ee
par l’´equation di´erentielle. `
Alorigine,laballe
´e t a n t l ˆa c h ´e e s a n s v i t e s s e i n i t i a l e , v=0etpar
suite :
mdv
dt=mg a0=dv
dt=g=9,81 m.s2
0t
v(m.s1)
vlim
τ
b. τest l’abscisse du point d’intersection entre
la tangente `a l’origine d’´equation v=a0tet
l’asymptote horizontale v=vlim.Donc:
vlim =a0ττ=vlim
a0
Application num´erique :
τ=7,12
9,81 =0,726 s
5. a . On utilise l´equation di´erentielle :
ma1=mg Kv2
1a1=gK
mv2
1
Application num´erique :
a1=9,81 4,84 ×104
2,50 ×103×4,252=6,31 m.s2
b. v2=v1+v1avec :
v1=!gK
mv2
1"t=a1t
De plus t2=t1+tdonc t=t2t1=0,010 s.
Finalement :
v2=4,25 + 6,31 ×0,010 = 4,31 m.s1
Grille DS no7
Calcul mair =37µgouΠ
Comparaison avec mou P
Scema + points d’application
Scema + points d’application
Forces −→
Pet −→
F+4caract´eristiques
dv
dt=gK
mv2,d´emontr´ee
dv
dt=gK
mv2,d´emontr´ee
K=mg/v2
lim
Ken kg.m1
a0=g,justi´e
a0=9,81 m.s2
Trac´e tangente
Trac´e asymptote horizontale
Trac´e τ
τ=vlim/a0,d´emontr´ee
τ=0,726 s
´
Equa di:a1=gK
mv2
1ou ´equivalent
a1=6,31 m.s2
Euler : v2=v1+v1et v1=a1t
v2=4,31 m.s2
Note .../20
Grille DS no7
Calcul mair =37µgouΠ
Comparaison avec mou P
Scema + points d’application
Scema + points d’application
Forces −→
Pet −→
F+4caract´eristiques
dv
dt=gK
mv2,d´emontr´ee
dv
dt=gK
mv2,d´emontr´ee
K=mg/v2
lim
Ken kg.m1
a0=g,justi´e
a0=9,81 m.s2
Trac´e tangente
Trac´e asymptote horizontale
Trac´e τ
τ=vlim/a0,d´emontr´ee
τ=0,726 s
´
Equa di:a1=gK
mv2
1ou ´equivalent
a1=6,31 m.s2
Euler : v2=v1+v1et v1=a1t
v2=4,31 m.s2
Note .../20
Grille DS no7
Calcul mair =37µgouΠ
Comparaison avec mou P
Scema + points d’application
Scema + points d’application
Forces −→
Pet −→
F+4caract´eristiques
dv
dt=gK
mv2,d´emontr´ee
dv
dt=gK
mv2,d´emontr´ee
K=mg/v2
lim
Ken kg.m1
a0=g,justi´e
a0=9,81 m.s2
Trac´e tangente
Trac´e asymptote horizontale
Trac´e τ
τ=vlim/a0,d´emontr´ee
τ=0,726 s
´
Equa di:a1=gK
mv2
1ou ´equivalent
a1=6,31 m.s2
Euler : v2=v1+v1et v1=a1t
v2=4,31 m.s2
Note .../20
Grille DS no7
Calcul mair =37µgouΠ
Comparaison avec mou P
Scema + points d’application
Scema + points d’application
Forces −→
Pet −→
F+4caract´eristiques
dv
dt=gK
mv2,d´emontr´ee
dv
dt=gK
mv2,d´emontr´ee
K=mg/v2
lim
Ken kg.m1
a0=g,justi´e
a0=9,81 m.s2
Trac´e tangente
Trac´e asymptote horizontale
Trac´e τ
τ=vlim/a0,d´emontr´ee
τ=0,726 s
´
Equa di:a1=gK
mv2
1ou ´equivalent
a1=6,31 m.s2
Euler : v2=v1+v1et v1=a1t
v2=4,31 m.s2
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