1
OSCILLATEUR LINÉAIRE
1) Définition.
Un oscillateur linéaire est un point matériel astreint à se déplacer sur une droite fixe dans (R) galiléen et soumis à
une force attractive vers un point fixe O, d'intensité proportionnelle à la distance entre O et le point matériel.
f= −k
OM, k 0, f = −k x.
f
à t =0 :
OM =x0
i ; d
OM
dt =v0
i .
L'oscillateur n'est pas amorti si
f est la seule force appliquée.
Il est amorti s'il est soumis à une force de frottement
f ', par exemple un frottement fluide
f ' = −h
v , h 0 est
le coefficient de frottement: f ' =h˙x.
Moment cinétique en O:
LO=
OMm
v=
0 ; d
LO
dt =
MO
f
MO
f ' =
0 .
Énergie: on peut considérer la force
f comme une force intérieure au système (O,M) dérivant alors d'une
énergie potentielle Eptelle que
f=
grad Ep; f = −k x = −d Ep
dx Ep=1
2k x2constante.
En choisissant Ep=0 quand x =0 : Ep=1
2k x2.
Entre les abscisses x1et x2, l 'énergie potentielle varie de Ep=1
2x2
2x1
2 = −W
f.
Energie mécanique totale : E =EcEp; E =1
2m˙
x21
2k x2.
E=W
f ' = −t1
t2h
v
vdt = −t1
t2h v2dt 0.
L'énergie totale diminue constamment, sauf si l'oscillateur n'est pas amorti (h = 0).
2)Oscillateur non amorti : régime libre.
f=m
a⇒ −k x =m¨
x ou ¨
xω0
2x=0 d ' x =A cosω0tϕet ˙
x=Aω0sin ω0tϕ.
x0=Acos ϕ
v0= −Aω0sin ϕ
]
A=
x0
2v0
2
ω0
2; tan ϕ= − v0
ω0x0
.
E =1
2k x21
2m˙x2=1
2k A2cos2ω0tϕ1
2m A2ω0
2sin2ω0tϕ = 1
2k A2=1
2m A2ω0
2.
3)Oscillateur amorti: régime libre .
f
f ' =m
a ; ¨x= − k
mh
m˙x ; on pose : k
m=ω0
2et h
m=2λ=ω0
Q.
D ' ¨
x2λ˙
xω0
2x=0 ou ¨
xω0
Q˙
xω0
2x=0.
Equation caractéristique : r22λrω0
2=0 ; '=λ2ω0
2.
a. '0, λω0: amortissement élevé, régime apériodique .
Les deux racines sont réelles négatives: r1= −λω; r2λωavec ω=
'=
λ2ω0
2.
x = A eωtB eωteλtavec x 0 = x0=AB et ˙x0 = v0= λωAλωB= −λx0ωAB.
AB=x0
AB=v0λx0
ω
]
A=1
2
x0v0λx0
ω
; B =1
2
x0v0λx0
ω
.
x =eλt
x0
eωteωt
2v0λx0
ωeωteωt
2
=eλt
x0ch ωtv0λx0
ωsh ωt
.
b. '=0, λ=ω0: régime critique.
Une racine double réelle négative: r =λ= −ω0; x = A tBeλt.
x0=B ; v0=AλB ; A =v0λx0; x =
[
v0λx0tx0
]
eλt.
M
O
x' x
2
c .'0, λω0: amortissement faible, régime pseudopériodique.
Les deux racines sont complexes conjuguées: r1=λjω; r2λjωavec ω=
ω0
2λ2.
x = Ae jωtBejωteλtavec A =1
2
x0v0λx0
jω
; B =1
2
x0v0λx0
jω
.
x =eλt
x0
ejωtejωt
2j v0λx0
ωejωtejωt
2j
=eλt
x0cosωtv0λx0
ωsin ωt
.
Pseudopériode: T =2π
ω=2π
ω0
2λ2=T0
1
λ2
ω0
2
2T0.
Décrément logarithmique δ:xtT
xt=eλt=eδ;δ=λT=2πλ
ω0
2λ2.
d. Exemple: x0=0 et v00.
Régime apériodique :
A =v0
2ω=B ; x =v0
2ω
er1ter2t
.
˙x=A
r1er1tr2er2t
;˙x=0t=1
r1r2
ln
r1
r2
=tm.
¨
x=A
r1
2er1tr2
2er2t
;¨
x=0t=1
r1r2
ln
r1
r2
2
=2tm.
x=A
r1
3er1tr2
3er2t
;x=0t=1
r1r2
ln
r1
r2
3
=3tm.
Régime critique :
A =v0; B =0 ; x =v0t eλt.
˙x=v01λteλt ; ˙x=0t=1
λ.
¨x= −λv02λteλt;¨x=0t=2
λ.
x=λ2v03λteλt;x=0t=3
λ.
Régime pseudopériodique :
A =v0
2 j ω= −B. v0
ωeλt
x =A
eλjωteλjωt
=v0
ωeλtsin ωt.
x =0 : sin ωt=0 t =nT
2.
x v0
ωeλtsin ωt= ±1 t =T
4nT
2.
v = ˙x=v0
ωeλtωcosωtλsin ωtv0
ω0
ωeλt
v =v0eλt
cosωtλ
ωsin ωt
v =v0
ω0
ωeλtcosωtϕavec tan ϕ=λ
ω.
v =0 : cosωtϕ = 0 ; t =T
4nT
2ϕT
2π.
tm
0t
v0
xmx(t)
v(t)
1
λ
0t
v0
v0
v0
e2
λe
tm
t
0
x
T
t
0T
v
v0
tm
3
4)Oscillateur amorti : régime sinusoïdal forcé .
L'oscillateur est soumis à une force excitatrice
f '' =
f0cos ωt
f=
f '
f '' =ma .
D' x2λxω0
2x=f0
mcos ωt dont la solution s ' écrit x t = x1tx2t.
x1t est la solution générale de l'équation sans second membre et correspond au régime libre déjà étudié.
Pour λt1, eλt0 donc x1t 0.
x2t est une solution particulière de l'équation complète de la forme a cosωtϕ.
Pour λt1 et en régime sinusoïdal permanent, la réponse x(t) a même pulsation que la force excitatrice
(oscillations forcées).
Pour déterminer a et ϕ on peut utiliser les grandeurs complexes associées à x et f '':
f ' ' =f0ejωtet xt = a ejωtϕ=X e jωt; a =
X
et ϕ=argX.
L'équation différentielle devient: ω2X2 j λωXω0
2X=f0
md' où X =f0
m
1
ω0
2ω22 j λω.
a =
X
=f0
m
1
ω0
2ω224λ2ω2;ϕ=argω0
2ω22jλω.
a. Etude de l'amplitude de la réponse.
a0 = f0
mω0
2=f0
k; a ω0 = f0
2λmω0
=Qa0; a  = 0.
da
dω= − f0
m2ωω2ω0
22λ2
[
ω0
2ω2
24λ2ω2
]
3
2
.
Cette dérivée s'annule pour ω=0 et pour la pulsation Q f0
k
de résonance d ' amplitude ωrtelle que ωr
2=ω0
22λ2.λω0
2
ωrn 'existe que si ω0
22λ2soit λω0
2ou Q 1
2.f0
kλ=ω0
2
Amplitude à la résonance =ar=f0
m
1
ω0
4ωr
4=a0ω0
2
ω0
4ωr
4.λω0
2
Si λaugmente , ωret ardiminuent et si λ0, ωrω0
et artend (rupture de la liaison élastique entre les points
M et O).
Bande passante: elle est définie par les deux pulsations ω1et ω2telles que a r=a
2 .
Ces deux pulsations n'existent que si ar
2a0soit λ1
2ω0
2
2=0,383ω0.
Dans ce cas, ω1et ω2sont solutions de ω42ωr
2ω22ωr
4ω0
4=0
[
ω1
2=ωr
2
ω0
4ωr
4
ω2
2=ωr
2
ω0
4ωr
4
On remarque que ωrest la moyenne quadratique de ω1et ω2:ωr
2=1
2
ω1
2ω2
2
.
Si la résonance est très aigüe, λω0,ωr
4=ω0
4
12λ2
ω0
2
2
ω0
4
14λ2
ω0
2
.
ω0
4ωr
44λ2ω0
2;ω1
2ω0
22λ22λω0ω0
22λω0ω1ω0λet de même ω2ω0λ.
ω=ω2ω12λ. L'acuité de la résonance est caractérisée par ω0
ω ω
2λ=Q.
ω
ar
0
a
ωr ω 0
4
b. Etude de la phase de la réponse.
ϕ=argX = argω0
2ω22 j λω.
ϕ0 = 0 ; ϕω0 =π
2;ϕ = −π.
dϕ
dω= −2λω2ω0
2
ω2ω0
224λ2ω2.
dϕ
dω
0
=−2λ
ω0
2= − 1
Qω0
;
dϕ
dω
ω0
=−1
λ=−2Q
ω0
.
Remarques :
si la courbe a un point d'inflexion, l'abscisse de ce point n'est pas ω0, ni ωrsi elle existemais ωitelle que
ωi=ω0
2
1
λ2
ω2
2
1.
s' il y a résonance : tan ϕr= −ωr
λ; si la sonance est aigüe ωrω0et λω0: tan ϕr ;ϕrπ
2.
Dans ce cas : ω1ω0λ; tan ϕ1=
1λ
2ω0
≈ −1ϕ1≈ −π
4et de même pour ω2,ϕ2≈ − 3π
4.
c .Etude de la vitesse.
v = ˙x=aωsin ωtϕ.
amplitude de la vitesse: a ω=f0
m
ω
ω2ω0
224λ2ω2.
ω0 : a ω0
ω ∞ : a ω0
ω=ω0: a ω=f0
2λm=f0
h.
daω
dω=f0
m
ω0
4ω4
[
ω2ω0
224λ2ω2
]
3
2
;
daω
dω
0
=f0
mω0
2=f0
k.
L'amplitude de la vitesse est toujours maximale pour ω=ω0 et on remarque que la dérivée à l'origine est
indépendante de λ toutes les courbes ont même tangente à l'origine.
Bande passante pour la vitesse :
a ω=1
2
f0
2λm2
2λω=
ω2ω0
2
24λ2ω2.
D'
ω2ω0
22λω
ω2ω0
22λω
=0
[
ω1= −λ
λ2ω0
2
ω2=λ
λ2ω0
2;ω=ω2ω1=2λ;ω0
ω =Q.
ω0est la moyenne géométrique de ω1et ω2:ω0=
ω1ω2.
5) Notion d' impédance mécanique .
A la vitesse v = ˙x est associé le complexe v = ˙x=jωx d' où V =jωX=f0
m
jω
ω0
2ω22j λω .
On remarque l'analogie avec l'impédance électrique d'un circuit RLC série avec les correspondances R h ,
L m , C 1
k, que l'on peut retrouver à partir des équations différentielles régissant les deux systèmes:
¨qR
L˙
q1
LC q=e
Let ¨xh
m˙xk
mx=f ''
m.
On a aussi les correspondances q x , i v , e f ''.
Cette analogie permet de remplacer l'étude d'un oscillateur mécanique par celle d'un circuit électrique dont les
grandeurs sont plus faciles à mesurer ou modifier.
π
0
ϕωoω
2
-π
λ faible
λ éle
ω
aω
f0
h
f0
mω0
0
λ faible
λ élevé
ω0
5
6) Étude de l 'énergie .
a. Oscillateur libre non amorti.
L'énergie mécanique totale est constante: E =1
2m˙
x21
2k x2=1
2k A2avec k =mω0
2.
Energie cinétique moyenne:
Ec=1
T0
TEcdt =1
T0
T1
2mA2ω0
2sin2ω0tϕdt =1
4mA2ω0
2=1
2E.
Energie potentielle moyenne:
Ep=1
T0
TEpdt =1
T0
T1
2kA2cos2ω0tϕdt =1
4kA2=1
2E.
En moyenne, il y a équipartition de l'énergie totale entre les deux formes d'énergie.
Pour une molécule diatomique vibrant le long de son axe, on doit attribuer 1
2kBT à chaque forme
2 degrés de liberté, soit kBT pour l 'énergie de vibration kB=constante de Boltzmann .
b. Oscillateur libre amorti .
L 'énergie initiale E0disparaît puisque x 0 et v 0 quand t .
E= −E0=W
f ' = −0
hv2dt 0.
Cette énergie est dissipée sous forme de chaleur reçue par le milieu extérieur.
c .Oscillateur forcé en régime permanent .
E =1
2m˙
x21
2k x2avec k =mω0
2, x =a cosωtϕet ˙
x=aωsin ωtϕ.
L'énergie totale est périodique, de période T
2, de valeur moyenne
E=1
4ma2ω2ω0
2.
Toute l'énergie fournie par la force excitatrice
f '' au cours d'une période T sert à compenser l'énergie perdue
par frottement: 0
T
f ''
v dt0
T
f '
v dt =0.
0
Tf0cosωt a ωsin ωtϕdt0
Tha2ω2sin2ωtϕdt =0.
f00
T1
2
[
sin ϕsin 2ωtϕ
]
dt =ha ω0
Tsin2ωtϕdt sin ϕ= −h a ω
f0
.
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