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=
OM∧m
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
2−x1
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 'où 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
m−h
m˙x ; on pose : k
m=ω0
2et h
m=2λ=ω0
Q.
D 'où ¨
x2λ˙
xω0
2x=0 ou ¨
xω0
Q˙
xω0
2x=0.
Equation caractéristique : r22λrω0
2=0 ; ∆'=λ2−ω0
2.
a. ∆'0, λω0: amortissement élevé, régime apériodique .
Les deux racines sont réelles négatives: r1= −λω; r2−λ−ωavec ω=
∆'=
λ2−ω0
2.
x = A eωtB e−ωte−λtavec x 0 = x0=AB et ˙x0 = v0= −λωA−λωB= −λx0ωA−B.
AB=x0
A−B=v0λx0
ω
]
⇒A=1
2
x0v0λx0
ω
; B =1
2
x0−v0λx0
ω
.
x =e−λt
x0
eωte−ωt
2v0λx0
ωeωt−e−ωt
2
=e−λt
x0ch ωtv0λx0
ωsh ωt
.
b. ∆'=0, λ=ω0: régime critique.
Une racine double réelle négative: r =−λ= −ω0; x = A tBe−λt.
x0=B ; v0=A−λB ; A =v0λx0; x =
[
v0λx0tx0
]
e−λt.