Mécanique-C2-TD PCSI A
Dynamique en référentiel galiléen
Exercices 1 et 2 à faire pour lundi 18 , 3 et 4 pour mardi 19, 5 et 6 pour vendredi 22 janvier
1. La face cachée d'un iceberg
On assimile un iceberg à un bloc de glace cubique d’arête a.
On appelle h la hauteur au dessus du niveau de la mer. Sachant que la masse volumique de l'eau de mer à 0°C
est ρl=103 kgm-3 et celle de la glace ρs=0,92.103 kg.m-3, calculer h/a en supposant que l'iceberg à 0°C flotte sur
la mer à 0°C. Rep : h/a = 0,08
2. Chute dans une piscine
Un baigneur de masse m = 80 kg saute d'un plongeoir situé à une hauteur h = 10 m au dessus de la surface de
l'eau. On considère qu'il se laisse chuter verticalement sans vitesse initiale et qu'il est uniquement soumis à la
force de pesanteur durant la chute. On note Oz l'axe vertical descendant du repère d'espace
, O étant
le point de départ du saut . On prendra g=10m.s-2.
1. Déterminer l'équation horaire du mouvement z(t). En déduire les expressions littérales de la vitesse d'entrée
ve telle que
du baigneur dans l'eau, et de la durée tc de la chute. Faire les applications numériques.
2. Quand le baigneur est dans l'eau, il ne fait aucun mouvement et subit en plus de la pesanteur :
•Une force de frottement fluide
étant sa vitesse et k=250kg.s-1) ;
•La poussée d'Archimède
(dh = 0,90 est la densité du corps humain)
2.1. Justifier l'expression de la poussée d'Archimède.
2.2. Établir l'équation différentielle vérifier par vz la composante de la vitesse sur l'axe Oz sous la forme :
Identifier τ et β en fonction des données du texte. Quelles sont leurs unités respectives ?
2.3. Résoudre l'équation en prenant comme nouvelle origine des temps t = tc en gardant les constantes τ et β
2.4. Le baigneur atteint une vitesse limite vL, déterminer son expression littérale en fonction de g, τ et β puis
en fonction de m, g, k et dh. Faire l'application numérique et commenter le signe de vL.
2.5. Exprimer la vitesse vz en fonction de ve, vL τ et t. Déterminer littéralement puis numériquement à quelle
date t1 le baigneur commence à remonter
2.6. En prenant comme nouvelle origine de l'axe Oz la surface de l'eau, exprimer z(t) en fonction de τ, ve et vL.
En déduire la profondeur maximale zmax pouvant être atteinte.
Rep : 1) ve = 14,1 m.s-1 ; 2.3)
vz(t)=τ gβ(1−e−t
τ)+vee−t
τ
; 2.4) vL = -0,356 m.s-1 ; 2,5) t1 = 1,19 s ; 2,6) zmax = 4,1m
3. Toboggan rectiligne
Un enfant de masse m=20kg se laisse glisser sur le toboggan,
modélisé ci-contre (le schéma n'est pas à l'échelle).
On néglige les frottements de l'air.
Le toboggan exerce sur l'enfant une réaction
sa composante tangentielle et
sa composante normale.
Les 2 composantes obéissent à la loi du frottement solide , c’est à dire
que lors du mouvement:
avec f une constante.
On pose
.
L'enfant part à t = 0 en O avec la vitesse v0= 0,5m.s-1.
La hauteur de chute est h = 3m et l'angle α = 45°.
1) Déterminer l'équation horaire du mouvement de l'enfant x(t) en fonction de g, f α et v0 .
2) Le temps de parcours sur le toboggan entre O et C est de 1,2 s, en déduire f et la vitesse à laquelle l'enfant
arrive en C.
Rep :