Centrale Physique PSI 2012 — Énoncé 1/8
2012
Physique
PSI
4heuresCalculatricesautorisées
Impactdunbolideavec laTerre
L’objetde ce problème,constituédequatrepartiesindépendantes,estdétudierl’impactdun bolide(astérde
ou comète)avec laTerre etcertainesconséquencesquien découlent.Danstoutl’énon,on supposeraquele
bolidenepossèdeaucun mouvementderotation propredans son référentielbarycentrique.
Certainesdonnéesnumériques sontrassembléesàlafin du sujet.
ICollision entreun bolide etlaTerre
I.AVitesseorbitaledelaTerre
OnseplacedansleréférentieldeKepler,supposégaliléen,dontl’origine estconfondueavec le centredu Soleil
etdontlesaxes sontdirisverstroisétoilesxestrèséloignées.La Terre etleSoleil présententunesymétrie
sphérique.La massedelaTerre estnégligeabledevantcelledu Soleil. La Terredécritapproximativementune
orbite circulairederayon R0=1,5×1011 mautourdu Soleil eton exclut touteinfluence desautresplanètes
ou objetslestes.
I.A.1) Quest-ce quun référentielgaliléen?
I.A.2) Quelestl’intérêtde considérerl’hypothèsedesymétriesphériquepourlaTerre etleSoleil ?Quelles
simplicationsdécoulentdu faitquelamassedelaTerre estnégligeabledevantcelledu Soleil lorsdel’étude
du systèmeisolé constituépar cesdeuxcorps?Desréponses succinctes sontattendues.
I.A.3) MontrerquelemouvementcirculairedelaTerre estuniforme.ExprimerlavitesseorbitaledelaTerre,
notée vT,enfonction delaconstantegravitationnelleG,delamassedu soleil MSetdeR0.Fairel’application
numérique.
I.BVitessed’impactdubolide
LesastérdesquipeuventapprocherlaTerrepossèdentdesvitesses,dansleréférentieldeKepler,del’ordre
de30 km·s1.Onqualieracesobjetsdebolides.La Terre estassimilée àunesphèrehomogènederayon
RT=6,4×106m.Onrappellequeleréférentielocentriqueapouroriginele centreOdelaTerre etqueses
axes sontparallèlesàceuxdu référentieldeKepler.
I.B.1) On notevblavitessedun bolidedansleréférentieldeKepleretvrsavitessedansleréférentiel
ocentrique(vitesserelativepar rapportàlaTerre).Donnerun encadrementdelavitessevrenfonction devb
etvT.Fairel’application numériquepourlesastérdes.
Ontravailledansleréférentielocentriquesupposégaliléen.Le bolide,assimiléàun pointmatérielpourle
moment,possèdeunemassembtrèsnégligeabledevantcelledelaTerre.Le bolide,depuisunerégion très
éloignée delaTerre,arriveavec unevitesseþvr=vrþexetsatrajectoire estportée par unedroitesituée àune
distance bdu centredelaTerre(gure1).Le système{Terre+bolide}estconsidéré commeisolé.
x
y
b
þvr
O
M0
A
Figure1Trajectoiredu bolidedansle champgravitationneldelaTerre
I.B.2) Rappelerl’expression del’énergiemécaniqueEmdu bolide en un pointquelconquedesatrajectoire
enfonction desavitessev,desadistance rau centredelaTerre,desamassemb,delamassedelaTerreMT
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etdelaconstantegravitationnelleG.Préciserlanaturedelatrajectoiredu bolidedansle champgravitationnel
delaTerre.
I.B.3) On noteAlepointdelatrajectoireleplusprochedelaTerre.dmin=OAreprésentedoncladistance
minimale entrele centredelaTerre etlebolide.Rappelonsquence point, lavitessedu bolide,notée þvA,est
perpendiculaireau vecteur
OA.
a)Montrerquelemomentcinétiquedu bolide estconservéau coursdeson mouvement.En déduireune
relation simple entrevr,b,dminetvA=||þvA||.
b) Déterminerl’expression dedminenfonction deG,MT,vretb.
c) Pourquelebolide entre encollision avec laTerre,montrerqueleparamètred’impactbdoitêtreinférieur
àunevaleurmaximale,notée bmax,quel’on exprimeraenfonction deRT,G,MTetvr.
I.B.4) a)Encas de collision,montrerquel’expression delavitesseau momentdel’impact,notée vi,
peutsemettresouslaforme
vi=ñv2
r+v2
l
l’on exprimeralavitessevlenfonction deG,MTetRT.Calculerlavaleurnumériquedelavitessevlet
précisersasignication physique.
b) Quelestl’intervallenumériquedesvaleurspossiblesdelavitessed’impactvidun astérdeavec laTerre?
I.CÉnergie citiquedubolide
Le bolide estàprésentmodélisépar unesphèrepleinederayon rb=80 metdemassevolumiqueρb=
2,5×103kg·m3(matériau rocheux).
I.C.1) Calculerl’énergie cinétiquedu bolidepourunevitessed’impactvi=20 km·s1.
I.C.2) UnetonnedexplosifdeTNT (trinitrotoluène)libèreune énergiede4,18 ×109J.Par ailleurs,une
kilotonnedeTNT représente103tonnesdeTNT etunemégatonnereprésente106tonnesdeTNT.Exprimer
l’énergie cinétiqueprécédentedu bolide entermedéquivalentenTNT.Comparercette énergieàlabombe
atomiquedHiroshima(6août1945) quiaproduitune énergie équivalenteàl’explosion de15 kilotonnesdeTNT.
Cette comparaison avec unebombeatomiqueabien un senscar lebolidelibèreson énergie cinétique,au moment
del’impactavec lesol,souslaformedune explosion.
II Traversée del’atmosphèrepar lebolideCratèred’impact
Danscettepartie,on s’intéresseàlatraversée del’atmosphèreterrestrepar lebolideprécédent (sphèrepleine
derayon rb=80 metdemassevolumiqueρb=2,5×103kg·m3).La courburelocaledelaTerre estnéglie
eton confondsasurface,danslarégion del’impact,avec son plan tangent.On utiliseunebaseorthonormée
directe(þex,þey,þez)etun pointdel’espace estrepérépar sescoordonnéescartésiennes(x,y,z).Onseplace
dansleréférentielterrestre,supposégaliléen.Le champ depesanteur,dirisuivantlaverticaledescendante est
supposéuniforme:þg=gþezavec g=9,8m·s2.
II.AAtmosphèreisotherme
L’atmosphèreterrestre estsupposée êtreàl’équilibreisothermedetempératureuniformeT0.L’airestassimilé
àun mélange degaz parfaits.ρ(z)etP(z)représententrespectivementlamassevolumique etlapression de
l’airàl’altitudez.Cesgrandeurs sontnotéesρ0etP0au niveau du sol (z=0).
II.A.1) ExprimerP(z)enfonction deρ(z),T0,delaconstantedesgaz parfaitsRetdelamassemolairede
l’airMair.
II.A.2) Montrer,en utilisantl’équilibrehydrostatique,quelamassevolumiqueρ(z)vérielaloi
ρ(z)=ρ0exp3z
Ha4
l’on exprimeralahauteurcaractéristiqueHaenfonction deMair,T0,Retg.
II.A.3) Applicationsnumériques.Calculerlamassevolumiquedel’airρ0au niveau du sol etlahauteurHa.
Données:P0=1,0×105PaetT0=290 K.
II.BFreinage atmosphérique
Le bolide entredansl’atmosphèreavec unevitessevi=20 km·s1.Durantlatraversée del’atmosphère, il est
soumisàson poidsetàlaforce detrnée denormeFt=1
2Cρπr2
bv2C=2estle coecientdetrnée,ρla
massevolumiquedel’airetvlavitesseinstantanée du bolide.Onsupposequelebolide conservesamasseau
coursdesachute.
II.B.1) Pourlescalculsdordredegrandeurde cettequestion,on utiliseraρ0commevaleurcaractéristique
delamassevolumiquedel’air.
a)Justier,encalculantlenombredeReynoldsassociéàl’écoulementdel’airautourdu bolide, le choix
duneloi quadratique envitessepourl’expression delaforce detrnée.Donnée :viscositédynamiquedel’air
ηa=1,8×105Pa·s.
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b) Montrerquentermedordresdegrandeur, lepoidsdu bolide estnégligeabledevantlaforce detrnée.
II.B.2) Danscesconditions, il estpossibledemodéliserlatrajectoiredu bolidedansl’atmosphèrepar une
droiteinclinée dun angleθpar rapportàlaverticaleþez.Onchoisitlesaxesdu repèredetellemanièrequela
trajectoiresesituedansleplan y=0(gure2):
x
z
O
θ
trajectoire
Figure2Trajectoiredu bolidedansl’atmosphèreterrestre
a)Exprimerl’aclération du bolide,a=dv/dt,enfonction deC,ρb,rb,ρ(z)(massevolumiquedel’airà
l’altitudez)etv(t)(vitesseinstantanée du bolide).
b) Exprimerdv/dzenfonction del’aclération a=dv/dtetdelacomposanteverticaledelavitessedu
bolidevz=dz/dt.Enremarquantquevz=vcos θ,exprimerdv/dzenfonction deC,ρb,rb,ρ(z),vetθ.
c) En utilisantlacondition limz+v(z)=vi(vitessedentrée dansl’atmosphère),déterminerlaloi de
variation delavitessedu bolide enfonction del’altitudez:v=f(z).
II.B.3) Applicationsnumériques
On poseθ=45.
a)Calculerlavitessedu bolidelorsqu’il atteintlesol (z=0).L’atmosphèrefreine-t-elle ecacementce
bolide?
b) Calculerl’énergiedissipée par lebolidedansl’atmosphère.La compareravec l’énergie cinétiquedu bolide
àl’entrée del’atmosphère.
II.CCrared’impacttransitoire
Entrelemomentlebolidetouchelesol etceluiil eststoppé, il nesécoulequequelquesfractionsdeseconde
pendantlesquelles son énergie cinétique estconvertie enénergieinterne.Cette énergieinternevaporiselebolide
etdesmatériauxdelacrteterrestre,amenantl’ensembleàunetempératuredel’ordrede10 ×104Ksous
unepression deplusieursmégabars.Cettepression est très supérieureàce quepeuventsupporterlesmatériaux
delacrteterrestre.Puisquerien nepeutcontenirlavapeurproduite, il seproduitune énorme explosion.
Cette explosion provoqueuneintenseondede chocquisepropage àpartirdelazoned’impacten pulvérisant
les stratesrocheusesetenéjectantlesmatériauxen partiesouslaformedun magmaultra-chaud.L’intensité
del’ondede chocsatténuantau coursdesapropagation,ellefinitpar setransformeren une«simpleonde
sismique».La phasedexcavation sachèvepar laformation dun cratèretransitoirequiévoluepar lasuitevers
le cratèredéfinitif.L’objectifde cettepartie estdestimerlediamètreDdu cratèreprovisoiremodélisépar une
hémisphère(demi-sphèredelagure3(b)).Pourcela, on considèrequel’énergie cinétiquedu bolidesert,en
premièreapproximation,àfracturerlesmatériauxetàleséjecteren dehorsdu cratère.
crteterrestre
G0
δ
D
crteterrestre
G0
D
(a) demi-sphèrepleinedediamètreD(b)cratèreprovisoire
Figure3
II.C.1) Calculernumériquementl’énergie cinétiquemassiquedu bolide.La compareravec l’enthalpiemas-
siquedevaporisation desmatériauxrocheuxhv8MJ·kg1.
II.C.2) a)L’énergieservantàfracturerlesmatériauxdelacrte,notée Ecoh(énergiede cohésion),
peutêtre estimée enmultipliantlevolumedelademi-sphèrepleinedediamètreDdelagure3(a) par une
grandeurYcaractéristiquedelarésistance desmatériauxconstitutifs.Quelle estl’unitédeY?
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b) Le barycentreG0delademi-sphèrepleine(gure3(a))setrouveàlaprofondeurδ=3D
16 .Onestimeque
l’énergieEgnécessairepouréjecterlesmatériauxestégaleau travaildu poidspouramenerce barycentreau
niveau du sol.ExprimerEgenfonction delamassevolumiquedelacrteterrestreρc,du diamètreDetdu
champ depesanteurg.
c) Établirl’équation permettantdedéterminerlediamètreD.
d)Donnéespourlacrteterrestre:Y=3,0×107SIetρc=2,7×103kg·m3.Résoudredemanière
numériqueou graphiquel’équation précédente.On pourralimiterlarecherchedeDàl’intervalle[2km,8km].
Comparerlediamètredu cratèreprovisoireavec celuidu bolide.
III Thermodynamiquedelatraversée del’atmosphère
Cettepartieabordelesaspectsthermodynamiquesdelatraversée del’atmosphèrepar lebolidemodélisépar
unesphèrepleinederayon rb=80 metdemassevolumiqueρb=2,5×103kg·m3.Lesconséquencesdela
dissipation énertiquedansl’atmosphèresontimportantes:
uneondede chocsedéveloppeàl’avantdu bolideavec échauementadiabatiqueintensedel’airquitraverse
cetteondede choc;
lasurfacedu bolide estchauée par radiation du gaz chaudqui l’entoure,produisantunefusion etune
vaporisation du matériau àsasurface;
lamatièreperduepar lebolidefinitpar transférerson énergieàl’atmosphèresousformedénergieinterne.
III.APuissancedissipée
Calculerlapuissance dissipée par laforce detrnée Ft=1
2Cρπr2
bv2au voisinage du sol.Comparercette
puissance àcelleproduitepar une centralenucléaire électriquemoyennequiestdel’ordrede1GW.
Données:coecientdetrnée C=2,massevolumiquedel’airρ=1,2kg·m3etvitessedu bolidev=
20 km·s1.
III.BVitessedusondans lair
L’airestconsidéré commeun gaz parfait,non visqueux,dontlerapportdescapacitésthermiquesγ=Cp/Cvest
constant.Àl’équilibre,samassevolumique,sapression etsatempératuresontnotéesrespectivementρe,Peet
Te(grandeursuniformes).La propagation duneondeacoustiquereprésenteuneperturbation de cetéquilibre.
On noteþu(M,t)le champ desvitessesassociéàl’ondeacoustique eton posepourleschampsdepression etde
massevolumique
;p(M,t)=Pe+pa(M,t)avec |pa(M,t)|Pe
ρ(M,t)=ρe+ρa(M,t)avec |ρa(M,t)|ρe
La propagation del’ondesonoresaccompagnedune évolution isentropiquedel’air,caractérisée par le coecient
de compressibilitéisentropiqueχS=1
ρ1ρ
p2S.Onseplacedansle cadredel’approximation acoustique eton
néglige l’eetdelapesanteursurlapropagation del’onde.
III.B.1) Quesigniel’approximation acoustique?Établir,àpartirdel’équation localedelaconservation
delamasse etdel’équation dEuler,deuxéquationsdiérentiellesreliantlesgrandeursρe,ρa(M,t),pa(M,t)
etþu(M,t).
III.B.2) Pourquellesraisonspeut-on considérerquel’évolution del’airestisentropique?ExprimerχSen
fonction deρe,ρaetpa.Par ailleurs,montrerquel’on aégalementχS1
γPe.
III.B.3) a)Établiretnommerl’équation depropagation vériée par lapression acoustiquepa(M,t).
Montrerquelavitessedu son,notée ca,peutsemettresouslaforme
ca=óγPe
ρe
b) Exprimerégalementlavitessedu son enfonction deγ,R(constantedesgaz parfaits),Mair(massemolaire
del’air)etTe.Fairel’application numérique.Données:Te=290 Ketγ=7/5.
III.CLoisde conservationdelécoulement àtraverslondede choc
Onsupposeàprésentquelebolidetraversel’atmosphèreàlavitesse constantev=20 km·s1eton seplace
dansun référentielqui luiestlié.Dansce référentiel, susammentloin du bolide,dansunerégion notée (1),
l’écoulementdel’airestnon perturbé etil estcaractérisépar unevitessetrèsélevée v1=v,unepression P1,
unemassevolumiqueρ1,unetempératureT1,une énergieinternemassiqueu1etune enthalpiemassiqueh1.
Toutescesgrandeurs sontuniformes.
III.C.1) CalculernumériquementlenombredeMach danslarégion (1) :M1=v1/c1c1estlavitesse
du son danscetterégion.Données:T1=290 Ketγ=7/5.CommeM1>5, l’écoulementestqualié
dhypersonique.
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Àl’avantdu bolide,maisprochedesasurface, lapression, lamassevolumique etlatempératureaugmentent
énormémentàcausedel’accumulation dematière.Dufaitdelaconservation du débitmassique, lavitesse
del’écoulementdiminue ensapprochantdelasurfacedu bolide etl’écoulementfinitpar devenirsubsonique.
Ilexistedoncune zonedetransition étroite,appelée ondede choc,legaz subit,demanièreadiabatique,
d’importantesmodicationsdesapression,desamassevolumique etdesavitesse.La région enamontde cette
zonedetransition correspondàl’écoulementhypersonique(1) etlarégion enaval,appelée région du gaz choqué,
correspondàun écoulementsubsonique.Afin desimplierl’étudede cetteondede choc,on modéliselazone
detransition par un plan perpendiculaireauxécoulements,séparantl’espace en deuxrégionsbien distinctes
(gure4):
larégion non perturbée (1) décriteprécédemment (écoulementhypersonique);
larégion du gaz choqué(2) caractérisée par unevitessesubsoniquev2,unepression P2,unemassevolumique
ρ2,unetempératureT2,une énergieinternemassiqueu2etune enthalpiemassiqueh2.Toutescesgrandeurs
sontuniformesdanslarégion du gaz choqué.
Insistons surlefaitquel’ondede choc estxedansleréférentieldétude etquelesécoulements sontstationnaires.
L’objectifdesquestionsquisuiventestdétablirdesloisde conservation pourl’airquitraversedemanière
adiabatiquel’ondede choc.On poseγ1=γ2=γ=7/5pourlerapportdescapacitésthermiquesdesgaz,
supposésparfaits,danslesrégions(1) et (2).On néglige leseetsdelapesanteursurl’écoulement.
S
région (1) région (2)
cylindreimaginaireondede choc
v1
P1
T1
ρ1
u1
h1
v2
P2
T2
ρ2
u2
h2
Figure4Modélisation del’ondede choc
III.C.2) Onconsidèrelasurfacede contrôle constituée dun cylindrederévolution imaginaire,desection
droitedaireS,centré en un pointdu plan del’ondede choc etdontlesnératrices sontperpendiculairesà
ce plan (gure4).Onenvisage lesystèmeouvertetxeΣconstituéàchaqueinstantdu gaz àl’intérieurdu
cylindreprécédent.Eneectuantun bilan demassesurun systèmeferméΣquel’on définiraprécisément,
établirunerelation,notée (R1),entreρ1,ρ2,v1etv2.
III.C.3) Eneectuantun bilan dequantitédemouvement,établirunerelation,notée (R2),entreP1,P2,
ρ1,ρ2,v1etv2.
III.C.4) a)Eneectuantun bilan dénergie,établirunerelation,notée (R3),entrev1,v2,h1eth2.
b) L’airse comportantcommeun gaz parfait,exprimerladiérence desenthalpiesmassiquesh2h1en
fonction delamassemolaireMair,R,deladiérence destempératuresT2T1etdeγ=γ1=γ2.Exprimer
enfin h2h1enfonction deP1,P2,ρ1,ρ2etγ(relation (R4)).
c) Àpartirdesrelations(R3)et(R4),établirunenouvellerelation,notée (R5),entrelesvariablesP1,P2,
ρ1,ρ2,v1,v2etγ.
III.DCaracrisationthermodynamiquedugazchoqué
CommeM2
11, lesloisde conservation (R1),(R2)et(R5)permettentdobtenirlesrelations simpliées
suivantes(résultatsadmis):
v2
v1
=γ1
γ+1;ρ2
ρ1
=γ+1
γ1etP2=2ρ1v2
1
γ+1
Nousallonsàprésentexploitercesrelationspourdéterminerlescaractéristiquesthermodynamiquesdu gaz
choquédanslarégion (2).
III.D.1) ExprimerlenombredeMachM2danslarégion du gaz choqué enfonction deγ.Fairel’application
numérique etcommentervotrerésultat.
III.D.2) ExprimerlatempératureT2du gaz choqué enfonction deMair,R,γetv1.Fairel’application
numérique.
III.D.3) Àunetelletempérature, lesmoléculesdu gaz choquésontenfaitdissociéesenatomesionisésqui
formentun plasma. Le modèleprécédentestdoncincompletetun traitementrigoureuxsortdu cadrede ce
problème.Peut-on réellementposerγ1=γ2=7/5?La températureréelledu gaz choquédoit-elle êtreinférieure
ou supérieureàcelle calculée àlaquestion précédente?
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