Mines Physique 2 PSI 2012 — Énoncé 1/7
´
ECOLE DES PONTS PARISTECH
SUPAERO(ISAE),ENSTAPARISTECH,
TELECOMPARISTECH,MINES PARISTECH,
MINESDESAINT–´
ETIENNE,MINESDENANCY,
T´
EL ´
ECOMBRETAGNE,ENSAEPARISTECH (FILI`
ERE MP)
´
ECOLE POLYTECHNIQUE(FILI`
ERE TSI)
CONCOURS D’ADMISSION 2012
SECONDE´
EPREUVEDEPHYSIQUE
Fili`
ere PSI
(Dur´
ee del’´
epreuve:4heures)
L’usagedelacalculatrice estautoris´
e
Sujetmis `
adisposition desconcours:Cycle international, ENSTIM,TELECOMINT,TPE–EIVP
Lescandidats sontpri´
esdementionnerdefac¸on apparentesurla premi`
erepagedelacopie:
PHYSIQUEII —PSI.
L’´
enonc´
ede cette´
epreuve comporte7 pages.
–Si, aucoursdel’´
epreuve,un candidatrep`
ere ce quiluisemble ˆ
etreune erreurd’´
enonc´
e,il estinvit´
e`
ale
signalersursa copie et`
apoursuivresa compositionenexpliquantlesraisonsdesinitiativesqu’il aura´
et´
e
amen´
e`
aprendre.
–Ilnefaudrapash´
esiter`
aformulerlescommentaires(incluantdesconsid´
erationsnum´
eriques)quivous
semblerontpertinents,mˆ
eme lorsquel’´
enonc´
enele demandepasexplicitement. Lebar`
eme tiendra compte
de cesinitiativesainsiquedesqualit´
esder´
edaction dela copie.
UN HOULOG ´
EN´
ERATEUR PENDULAIRE
Onconsid`
ereun houlog´
en´
erateurpendulairedestin´
e`
a convertirl’´
energiem´
ecaniquedelahoulema-
rine en´
energie´
electrique.Celui-cise composed’un penduleoscillant`
al’int´
erieurd’un flotteurlibre
desed´
eplacer`
alasurface del’oc´
ean.Lahoule entretient lemouvementdu flotteur,etdonc,parl’in-
term´
ediairedesforcesd’inertie,l’oscillation relativedu pendule.Unalternateursolidairedel’axedu
pendule assurelaproduction d’´
energie´
electrique.Lestroispartiesdu probl`
emesont ind´
ependantes.
On y envisagesuccessivement la caract´
erisation delahoule entantqu’ondedesurface,l’´
etude
m´
ecaniquedu houlog´
en´
erateur,puisleprobl`
emedela conversion ´
electrom´
ecanique.
Danstout leprobl`
eme,lesvecteurs~vsontnot´
esavec unefl`
eche en g´
en´
eralmaisavec un chapeaub
u
s’ils sontunitaires,eton associe`
aunegrandeursinuso¨
ıdalef(t)=A0cos(
ω
t+
ϕ
)sarepr´
esentation
complexesoulign´
ee
f(t)=A0exp j(
ω
t+
ϕ
)avec f(t)=Re{f(t)}etj2=−1
Unegrandeursurmont´
ee d’un pointrepr´
esentelad´
eriv´
ee temporellede celle ci : ˙
α
=d
α
dt.
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Mines Physique 2 PSI 2012 — Énoncé 2/7
I.—Caract´
erisation delahoule
Dansunemod´
elisation simplifi´
ee,leprobl`
eme estsuppos´
eilli-
mit´
eselon ladirection b
eyet invariantvis-`
a-visdelavariablex.La
houle ensurface estcaract´
eris´
ee parl’´
equation delasurface libre
z=H+
ξ
(y,t)o`
u
ξ
(y,t)=acos(
ω
t−ky)
o`
uHest laprofondeuraurepos,
ξ
(y,t)l’´
el´
evation par rapport`
aH
due`
alahoule,
ω
lapulsation et~
k=kb
eyle≪vecteurd’onde≫de
lahoule,touslesdeux r´
eels.Onleurassocielap´
eriodetemporelle
Tet lalongueurd’onde
λ
.
FIGURE1 – Param´
etrisation dela
houle
Ons’int´
eresse`
al’´
ecoulementdel’eau demerentrelefond platet imperm´
eable enz=0et la
surface libre enz=H+
ξ
(y,t).Cet´
ecoulementestparam´
etr´
eparleschampseul´
eriensdevitesse
~v(y,z,t)=vy(y,z,t)b
ey+vz(y,z,t)b
ezetdepression P(y,z,t).Pourcette´
etude,on seplace dansle cadre
del’approximation a≪
λ
,dite≪acoustique≫,o`
uleschampspr´
ec´
edentstraduisentune´
evolution de
≪faible amplitude≫delaparticulefluide autourdesaposition aurepos(y,z).
Onsupposequel’eau demerestun fluideincompressibledemassevolumique
µ
=1,00 ·103kg.m−3
en´
ecoulement irrotationnel.Lapression atmosph´
eriqueP
0et le champ depesanteur~g=−gb
ezsont
uniformes,on prendrag=9,81 m.s−2.Enfin,dansler´
ef´
erentiel terrestre(Oxyz),l’´
ecoulementv´
erifie
l’´
equation deNavier-Stokes
µ
h
∂
~v
∂
t+(~v·−−→
grad)~vi=−−−−→
gradP+
µ
~g−2
µ
~
Ωt∧~v+
η
∆~v
o`
u~
Ωtd´
esignelevecteur rotation delaTerre autourdeson axepolaire et
η
laviscosit´
edynamiquede
l’eau demer.Pourlesapplication num´
eriqueson prendra
η
=10−3Pa.s.
Pourl’´
etude envisag´
ee,l’´
equation deNavier-Stokespeutˆ
etregrandementsimplifi´
ee dansle cadredes
approximations suivantes:
–A1: letermedeviscosit´
e estn´
egligeabledevant letermede convection ;
–A2: letermedeCoriolisestn´
egligeabledevant letermede convection ;
–A3: lad´
eriv´
ee convective estn´
egligeabledevant lad´
eriv´
ee temporellelocale.
1—Enconsid´
erantacommedistance caract´
eristiquedu d´
eplacementd’uneparticulefluide,
traduirelitt´
eralementchacunedesapproximations sousformed’unein´
egalit´
e en ordredegrandeur
portantsurlesquantit´
esa,T,
λ
,et lesconstantesdu probl`
eme.
2—Proposerdesvaleursnum´
eriquespour
µ
etΩt.En d´
eduirelesordresdegrandeursinf´
erieur
etsup´
erieurpour
λ
impos´
esparlesapproximationsA1etA2 dansle casd’unehouletelleque
a=1metT=5s.Cesapproximations sont-ellesjustifi´
ees?
3—Quellepropri´
et´
edoit v´
erifierle champ devitesse~vpourqu’il existeun potentieldesvitesses
scalaireΦ(y,z,t)telque~v=−−−−→
gradΦ.Quelle est l’´
equation v´
erifi´
ee parΦ?
4—Simplifierl’´
equation deNavier-Stokesdansle cadredesapproximationsA1,A2etA3.
En d´
eduirequelaquantit´
e
ε
=
∂
Φ
∂
t+P
µ
+gzestuniformedansl’´
ecoulement.Quellesignification
physiquepeut-on donner`
aP
µ
+gz?
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Mines Physique 2 PSI 2012 — Énoncé 3/7
5—OnchercheΦsouslaformed’unefonction `
avariables s´
epar´
eesdont larepr´
esentation com-
plexes’´
ecrit
Φ(y,z,t)=f(z)ej(
ω
t−ky)
D´
eterminerl’expression def(z)enfonction dek,zetdedeux constantesd’int´
egration quel’on notera
c1etc2.
6—En´
etudiant lasurface librede cotez=H+
ξ
(y,t),justifieravec rigueurlesconditionsaux
limitesimpos´
ees`
aΦsurlasurface libre,ce quirevientdansl’approximation ≪acoustique≫`
ase
placerenz=H.
∂
Φ
∂
zz=H
=
∂ξ
(y,t)
∂
tet
∂
Φ
∂
tz=H
=−g
ξ
(y,t)
En d´
eduireunerelation reliantc1,c2et lesparam`
etresdu probl`
eme.
7—En´
ecrivant la condition aux limitesimpos´
ee `
aΦenz=0,montrerquec1=c2.En d´
eduire
l’expression de
ω
2souslaforme
ω
2=gkΨ(kH)o`
ul’on pr´
eciseral’expression delafonction Ψ(kH).
V´
erifierque
Ψ(kH)≃kHsikH≪1etΨ(kH)≃1sikH≫1
Dansle cadredel’´
etude envisag´
ee,il estpossibledefairel’uneou l’autredesdeux hypoth`
eses
suivantes:
–H1: lahoulesepropage eneau peu profonde ainsikH≪1;
–H2: lahoulesepropage eneau profonde ainsikH≫1.
8—Pr´
eciserdanschacun descasH1etH2si lapropagation delahoule estou n’estpas
dispersive.Commentcelasemanifeste-t-il en pratiquepourun observateurscrutant lesoscillations
delasurface libre ?
9—L’´
etude envisag´
ee parlasuite esteffectu´
ee pouruneprofondeuraureposH≃100 m.Laquelle
desdeux hypoth`
esesH1ou H2 doit-on retenirdansle casd’unehouletellequea=1metT=5s?
L’approximation ≪acoustique≫estellev´
erifi´
ee a posteriori?
10 —Lesr´
esultatspr´
ec´
edentspermettentdemontrerqu’au voisinagedelasurface librelepotentiel
desvitesses s’´
ecrit
Φ(y,z,t)=ja
ω
kek(z−H)ej(
ω
t−ky)
Exprimer,dansle cadredel’approximation ≪acoustique≫,lesd´
eplacementsr´
eels
δ
y(y,z,t)et
δ
z(y,z,t)
d’uneparticulefluide autourdesaposition aureposrep´
er´
ee parsescoordonn´
ees(y,z).Quelle est,
dansce cas,lanaturedelatrajectoiresuivie aucoursdu tempsparuneparticulefluide ? Quelle est
l’´
evolution de cettetrajectoire enfonction dez?
11 —Lefonctionnementdu houlog´
en´
erateurpeutˆ
etreperturb´
equand lavitessehorizontale
d’uneparticulefluide ensurface d´
epasselavitessedepropagation delahoule.On dit alorsqu’il
yad´
eferlement.Onappelle
γ
=2a/
λ
la cambruredelahoule.´
Etablirqueled´
eferlementapparaˆ
ıt
lorsque
γ
devientsup´
erieur`
aune certaine cambrure critique
γ
cquel’on d´
eterminera.Unehoulese
propageanteneau profonde et tellequea=1metT=5sest-elled´
eferlante ?
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Mines Physique 2 PSI 2012 — Énoncé 4/7
12 —Avantdepasserau principemˆ
emedu houlog´
en´
erateur,il reste`
aquantifierlapuissance
disponible.Justifierquel’on puisse exprimerlapuissance m´
ecaniquePmd´
evelopp´
ee parlahoule`
a
traversunesection verticaleSd’´
ecoulementsouslaforme
Pm=−ZZS
µ∂
Φ
∂
y
∂
Φ
∂
td
σ
Exprimer,dansle cadredel’approximation ≪acoustique≫,lapuissance m´
ecaniquemoyenne<Pm>
d´
evelopp´
ee parlahoulesurtoutelahauteurdel’´
ecoulementenfonction de
µ
,
ω
,g,aetdelalargeur
ℓxselon ladirection b
ex.D´
eterminerlavaleurdelapuissance <Pm>/ℓxdisponibleparm`
etredefront
d’ondedansle casd’unehouletellequea=1metT=5s.Quepensez-vousde cettevaleur?
FIN DELA PARTIEI
II.—´
Etudem´
ecaniquedu houlog´
en´
erateur
Lehoulog´
en´
erateurconsid´
er´
e estmod´
elis´
epar
deux composants:
– un flotteurde centred’inertieG;
– un pendulepesantdelongueurℓ=AB,dont la
massemp=105kg estconcentr´
ee `
al’extr´
emit´
e
Betdont lepointd’attacheAestconfondu avec
G.
On note,dansce cas,
α
(t)l’inclinaison du pen-
dulerelativementauflotteurqui,lui-mˆ
eme,reste
vertical.Enfin,le couplage´
electrom´
ecanique entre
lependule et l’alternateurquipermetde conver-
tirl’´
energiem´
ecaniquedu pendule en´
energie
´
electriqueintroduit un coupler´
esistantdemoment
−
β
˙
α
b
exo`
ule coefficientde conversion estfix´
e`
ala
valeur
β
=1,05.106N.m.rad−1.s.
FIGURE2 – Houlog´
en´
erateurm´
ecanique
Le champ depesanteur~g=−gb
ezest toujoursuniforme.Laliaison pivotd’axe(Gx)entrelependule
et leflotteurestparfaite.Onconsid`
erequel’action delahoulesurleflotteurser´
esume aux seules
translations selon lesdirectionsb
eyetb
ezdu centred’inertieG,appel´
eescavalementetpilonnement,et
caract´
eris´
eesparlescoordonn´
eesY(t)etZ(t)deGdansler´
ef´
erentiel terrestreR=(Oxyz)suppos´
e
galil´
een.
13 —Donnerl’expression delaforce d’inertiequis’exerce surlependuledansler´
ef´
erentiel
barycentriqueR′=(Gxyz)du flotteur.
14 —Enappliquant leth´
eor`
emedu momentcin´
etique enG=Aau penduledansler´
ef´
erentiel
barycentriqueR′du flotteur,montrerquel’´
equation diff´
erentiellev´
erifi´
ee par
α
s’´
ecrit
¨
α
+
χ
˙
α
+s(
α
)=0(1)
o`
ul’on exprimera
χ
enfonction de
β
,mpetℓet lafonction s(
α
)enfonction deℓ,g,¨
Y,¨
Zet
α
.
15 —Exprimerl’´
energiem´
ecaniqueEmdu penduledansler´
ef´
erentielbarycentriqueR′du flotteur.
`
Al’aided’un bilan´
energ´
etique,retrouverl’´
equation diff´
erentielle´
etablie`
alaquestion 14.
L’action delahoule estdor´
enavantcaract´
eris´
ee parunep´
eriodeT=5setparlesfonctionsY(t)=
acos(
ω
t)etZ(t)=asin(
ω
t)avec
ω
=2
π
/T.
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Mines Physique 2 PSI 2012 — Énoncé 5/7
16 —Pourcettequestion on consid´
ereral’exempled’un houlog´
en´
erateurdot´
ed’un penduledelon-
gueurℓ=2m.´
Etudierlasolution del’´
equation (1)dansun r´
egimedefaiblesacc´
el´
erationsverticales
(¨
Z≪g)etdepetitesoscillations(|
α
|≪1).On d´
eterminera en particulierladur´
ee caract´
eristique
τ
et lapseudo-p´
eriodeTtdu r´
egimetransitoire ainsiquel’amplitudeAmaxdu r´
egimesinuso¨
ıdalforc´
e.
FIGURE3 – ´
Evolution de
α
enfonction detpourdiff´
erentesvaleursdeaetdeℓ.
17 —Uner´
esolution num´
eriquedel’´
equation (1)sanshypoth`
eses sur
α
et¨
Zestentreprisepour
diff´
erentesvaleursdeaetℓ`
apartirde conditionsinitialesnulles.Larepr´
esentation graphiquede cer-
tainesde ces solutionsfait l’objetdelafigure3.En utilisant lesr´
esultatsdelaquestion 16,interpr´
etez
lepluspr´
ecis´
ementpossible cescourbes.
FIGURE4 – <P>enfonction deℓ
Ons’int´
eresse`
apr´
esent`
alapuissance moyenne conver-
tie enr´
egimed’oscillationsforc´
eesparlehoulog´
en´
erateur,
not´
ee <P>.Oncalculepourcelalafonction <Pℓ>qui
repr´
esentent l’´
evolution de<P>enfonction du param`
etre
ℓdu houlog´
en´
erateur,lesautresparam`
etres´
etantconstants.
Lar´
esolution num´
eriquedel’´
equation (1)apermisd’obte-
nirlafigure4.Pourcescalculsetafin detracerla courbeon
a choisia=0,1metT=5s.
18 —Commentpeut-on ´
evaluer<Pℓ>`
apartirdela
solution num´
erique
α
(t)del’´
equation (1)?Interpr´
eterphy-
siquement la courbe.
FIN DELA PARTIEII
III.—Probl`
emedelaconversion´
electrom´
ecanique
La conversion del’´
energiem´
ecaniquedu pendule en´
energie´
electrique estr´
ealis´
ee parun alternateur.
Lesoscillationsdu pendulesontconvertiesen un mouvementderotation sensiblementuniforme`
a
lavitesse angulaireΩautourdel’axe(Ox)d’unebobine appel´
ee rotor.Labobineder´
esistance r
etd’inductance propreLcomporteNspiresrectangulairesjointivesetassoci´
eesens´
erie,d’´
epaisseur
n´
egligeable,dehauteurhselon b
exetdelargeurbperpendiculairement`
a cettedirection.Elle estferm´
ee
suruner´
esistance de chargeR.
Onsupposedansun premiertempsqu’un champmagn´
etiqueuniforme~
B0=B0b
eyestcr´
e´
eparun
aimantpermanentet immobile,appel´
estator (voirfigure5).On noteil’intensit´
edu courant induit par
larotation delabobinedansle champ~
B0,son sensest indiqu´
esurlafigure5.
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