Correction DS no7
I Attraction gravitationnelle et satellites [d. CCP TSI 2010]
1) le r´ef´erentiel ef´erentiel
eocentrique RGa pour ori-
gine le centre de la Terre et trois
axes dirig´es vers trois ´etoiles xes est
le .
Lois de K´epler : Cf. cours M7
2) Le satellite est soumis `a la force :
f=m.
GT(M) = GMT.m
r2
er
O
M (m)
MT
r
F
O M
=-GM .m er
T
r2
er =e
O M
G
T(M)=- GM er
T
r2
(RG)
D’apr`es le principe de l’action et de la r´eaction :
f=
f=GMT.m
r2
er
3) D’apr`es le th´eor`eme du moment cin´etique en Ofixe dans Rgalil´een :
d
LO/R(M)
dt!R
=MO(
f) =
OM×
f=
0
LO/R(M) =
OM×
vM/R(=
Cte
(
OM,
vM/R)t
Donc
OM et
vM/R(qui d´efinissent le mouvement) sont perpendiculaires `a une direction constante
de l’espace : le mouvement est donc contenu dans le plan perpendiculaire `a
LO/R
Le plan du mouvement est donc le plan (
OM,
vM/R) = (
OM0,
v0)
4) Pour eterminer l’´energie potentielle gravitationnelle, il faut revenir au travail ´el´ementaire
fourni par la force
f:
δW (
f) =
fd
OM =GMT.m
r2
er(dr
er+rdθ
eθ) = GMT.m
r2dr=dEp(r)
D’o`u : Ep(r) = GMT.m
r+Cste, soit, en prenant Ep(r→ ∞) = 0 : Ep(r) = GMT.m
r=K
r
5)
Em=Ek+Ep=1
2mv2K
r=1
2m.( ˙r2+r2˙
θ2)K
r
=1
2m. ˙r2
|{z }
Ek,radiale
+1
2m.C2
r2
|{z }
Ek,orthoradiale
K
r
Em=1
2m˙r+Ep,eff
avec : Ep,eff =1
2
mC2
r2K
r
lim
x0+
Ep,eff = +et lim
x+
Ep,eff = 0
Ep,eff est minimale soit : dEp,eff
dr= 0en rm=mC2
KEp,eff = 0 pour r=rm
2
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Plusieurs cas possibles `a condition d’avoir EmEp,eff :
- cas (5),Em>0 : mvt hyperbolique (´etat de diffusion)
- cas (4),Em= 0 : mvt parabolique etat de diffusion)
- cas (3),Em<0 : mouvement elliptique (´etat li´e)
- cas (2),Em,min <0 : mouvement circulaire (´etat li´e)
- cas (1) : situation impossible.
6) Principe fondamental de la dynamique appliqu´e dans RGgalil´een au satellite Sen mouvement
circulaire :
m.
aM/R=
fm¨rr˙
θ2=GMTm
r2mv2
r=GMTm
r2
r¨
θ+ 2 ˙r˙
θ0dv
dt0
(
er,
eθ,
ez)¨z0 0 0
D’o`u en projection selon
eθ:mdv
dt= 0, soit : v=Cte (le module de la vitesse est constant)
D’o`u en projection selon
er:mv2
r=GMTm
r2, soit : v=rGMT
r
7) T=2π.r
v= 2πsr3
GMT
d’o`u la 3`eme loi de K´epler :T2
r3=4π2
GMT
8) En rempla¸cant la vitesse par son expression sur une trajectoire circulaire (cf. 6)) dans Em:
Em=1
2mv2K
r=1
2m.GMT
rGMT.m
rEm=1
2GMT.m
r=Ek=Ep
2
9) Les deux satellites Set S´etant sur la mˆeme orbite, tournent `a la mˆeme vitesse constante
(ind´ependante de leurs masses met m!) : ils ne peuvent donc pas se heurter.
10) Le plan de la trajectoire circulaire du satellite Mdoit contenir le centre de force O(cf. 4)).
Pour qu’un satellite eostationnaire soit toujours au-dessus d’un mˆeme point de la surface ter-
restre, il est imp´eratif que le plan de sa trajectoire circulaire soit orthogonale `a l’axe des oles.
Cl : tous les satellites g´eostationnaires sont contenus dans le plan de l’´
Equateur.
11) Lorsque le satellite est pos´e sur la Terre en un point de latitude λ, son ´energie cin´etique
dans le r´ef´erentiel g´eocentrique est celle d’un point mat´eriel Men rotation de rayon ρ=RTcos λ
autour de l’axe des pˆoles `a la vitesse angulaire Ω = 2π
T:Ek0=1
2mv2
M/RG=1
2m(ρΩ)2, soit :
Ek0=1
2m2π
TRTcos λ2
= 0,21.109J= 0,21 GJ
D’o`u : Em0=1
2m2π
TRTcos λ2
− GMTm
RT
Puisque le terme d’´energie potentielle est ind´ependant de la latitude (on suppose la Terre par-
faitement sph´erique), cela veut dire qu’`a l’´energie m´ecanique maximale correspond une ´energie
cin´etique maximale dans le r´ef´erentiel g´eocentrique due `a la rotation de la Terre :
Erotation
k,max =1
2m2π
TRT2
avec : vsol(λ= 0) = 2π
TRT= 0,46 km.s1
Ce qui correspond `a λ= 0, soit au plan de l’´
Equateur.
Or, pour lancer le satellite, il faut lui fournir un suppl´ement d’´energie cin´etique dans le r´ef´erentiel
g´eocentrique. Ce suppl´ement sera d’autant plus faible que l’´energie cin´etique du satellite est d´ej`a
importante – ce qui est le cas lorsqu’on est proche de l’´
Equateur.
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Electrocin´etique / M´ecanique / Solutions aqueuses Sa 23/02/13 Cor. DSno7
Mais pour b´en´eficier de cette ´energie cin´etique maximale `a l’´
Equateur dˆu `a la rotation de la
Terre, il faut bien entendu lancer le satellite dans le sens de rotation de la Terre, c’est-`a-dire
vers l’Est.
12) Un satellite g´eostationnaire doit tourner dans le plan de l’´equateur (cf. 5) sur un cercle
de rayon rG=RT+hGavec pour p´eriode la p´eriode de rotation Tde la Terre (de mani`ere `a
ˆetre en permanence au-dessus du eme point de la surface terrestre).
Par ailleurs, la troisi`eme loi de K´epler donne :
T2
r3
G
=4π2
GMTrG=T2GMT
4π21/3
= 42 170 km hG=rGRT= 35 800 km
La vitesse du satellite g´eostationnaire est : vG=rGΩ=(RT+hG)2π
T= 3,08 km.s1
Rq : ces r´esultat son ind´ependant de la masse du satellite g´eostationnaire consid´er´e.
Par contre, l’´energie m´ecanique, elle, d´epend de la masse m:
EmG =1
2mv2
G
|{z }
9,5.109J
− GMTm
rG
| {z }
18,9.109J
=9,5.109J
13) La vitesse de lib´eration correspond `a la vitesse n´ecessaire pour atteindre l’´etat de diffusion le
plus accessible (la trajectoire parabolique) au point consid´erer. Ce qui revient `a annuler l’´energie
m´ecanique `a la distance rGdu centre de force :
Em=1
2mvlib GMTm
rG
= 0 vlib =r2GMT
rG
=2.vG= 4,35 km.s1
II Traitement du signal
Rq : l’A.O. est suppos´e id´eal et fonctionne en egime lin´eaire (r´etroaction n´egative). Donc,
puisque ǫ= 0 : VB=VE=VE+=VM= 0
1) Th´eor`eme de Millmann au point A:
VA=V1.Y 1+V2.Y 4+
VM.Y 2+
VB.Y 3
Y1+Y2+Y3+Y4VA.(Y1+Y2+Y3+Y4) = V1.Y 1+V2.Y 4
Th´eor`eme de Millmann au point B:
VB.(Y3+Y5) = VA.Y 3+V2.Y 5VA=Y5
Y3
.V 2
On en d´eduit : Y5
Y3
.(Y1+Y2+Y3+Y4).V 2=V1.Y 1+V2.Y 4
Soit : T=V2
V1
=Y1.Y 3
Y3.Y 4+Y5.S avec S=Y1+Y2+Y3+Y4
2) Avec :
Y1=Y3=Y4=1
R,Y5=jC1ωet Y2=jC2ω
On obtient : T=1
R2
1
R2+jC1ω. 3
R+jC2ω
Soit :
T(jω) = V2
V1
=1
1 + j.3RC1ω+R2C1C2.(jω)2
+
_
e(t)
S
ε=0
M
R
vs
B
i-=0
i+=0
C1
R
RA
C2
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3) Il s’agit d’un filtre passe-bas dont la fonction de transfert canonique est de la forme :
T(jω) = V2
V1
=A
1 + j.2m. ω
ω0
+jω
ω02avec, par identification :
ω2
ω2
0
=R2C1C22
2m. ω
ω0
= 3RC1ω
A=1
Soit : ω0=1
R.C1C2
;m=3
2.rC1
C2
;A=1
4) On a :
ω0=1
R.C1C2m.ω0=3
2.s
C1
C2
.1
R.p
C1C2
=3
2RC2C2=3
2Rmω0
m=3
2.rC1
C2m
ω0
=3
2.rC1
C2
.R.pC1
C2=3
2.RC1C1=2m
30
5) A.N. :C1= 3,8nF et C2= 16,9nF
6) T=(j)×A
(j)×(1x2+j2mx)=j
2mx +j(x21) =Hejϕ en posant x=ω
ω0
On en d´eduit, avec m=1
2:
T=1
p(x21)2+ 4m2x2=1
1 + x4
ϕ=π
2arctan 1
2mx1
x
Le gain en d´ecibels est : GdB(ω) = 20 log T=10 log[(x21)2+ 4m2x2] = 10 log(1 + x4)
–80
–60
–40
–20
0
20
40
–1 –0.5 0.5 1 1.5 2
y
(a) GdB (log(x))
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
–2 –1 1 2
y
(b) ϕ(log(x))
Asymptote basses fr´equences : pour ωω0x1, on a : TABF ∼ −1, soit :
GdB GdB (ABF) = 0 dB et ϕϕ(0) = π
On en d´eduit que pour x1, la courbe de r´eponse en gain en d´ecibels pr´esente une asymp-
tote horizontale de valeur 0 dB et que la courbe de r´eponse en phase pr´esente une asymptote
horizontale de valeur 180.
Asymptote hautes fequences : pour ωω0x1, on a : TAHF 1
x2, soit :
GdB GdB (AHF) = 40 log x dB et ϕϕ() = 0
On en d´eduit que pour x1, la courbe de r´eponse en gain en d´ecibels pr´esente une asymptote
de pente 40 dB/d´ec passant par l’origine et que la courbe de r´eponse en phase pr´esente une
asymptote horizontale de valeur 0.
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Pour ω=ω0x= 1, on a T=jH0
2m=j1
2.
D’o`u GdB (ω0) = 20 log 1
2=3,0dB et ϕ= 90.
Rq : le fait que GdB (ω0)GdB(max) = 3,0dB indique que ω0repr´esente la pulsation de
coupure du filtre.
7) La voie Y1de l’oscilloscope sert `a visualiser V1, la voie Y2`a visualiser V2.
8) On lit T= 4 div = 50 µs
soit
f= 20 kHz et V1m= 3 V
On a donc f=f0et x= 1
soit :
T=V2m
V1m
=1
1 + x4=1
2
V2m=V1m
2= 2,1V
D’apr`es la r´eponse pr´ec´edente, on
sait qu’`a la fr´equence propre, V2
est en quadrature avance de phase
par rapport `a V1(ϕ=π
2).
D’o`u le chronogramme.
9) Connaissant la tension d’entr´ee et le filtre lin´eaire, on en d´eduit la tension de sortie :
VL=UL.cos(2π.fL.t)V
L=U
L.cos(2π.fL.t +ϕL) avec fLf0U
LUL= 10 mV
ϕL≃ −π
VB=UB.cos(2π.fB.t)V
B=U
B.cos(2π.fB.t +ϕB) avec fB= 2.f0
U
BUB
17 0,5mV
ϕB≃ −0,76 rad 43
Soit : V2(t) = 10.cos(2π.fL.t) + 0,5.cos(2π.fB.t + 0,76 rad) (mV )
10)
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