Mouvement et interactions
Au bac, l'exercice de mécanique commence presque toujours par la même phrase : « Appliquer la deuxième loi de Newton ». Un ballon de handball lancé à Rennes, un satellite qui observe la Terre, une conduite d'eau avec un rétrécissement : trois situations très différentes, une seule méthode. Dans cette page, tu vas voir cette méthode, puis ses déclinaisons. À la fin, tu sauras pourquoi un satellite géostationnaire semble immobile au-dessus de Kourou.
La méthode : deuxième loi de Newton
Dans un exercice de mouvement, on suit toujours la même démarche en cinq temps.
Pourquoi intégrer ? Parce que le vecteur vitesse est la dérivée du vecteur position, $\vec v = \dfrac{\mathrm{d}\overrightarrow{OM}}{\mathrm{d}t}$, et le vecteur accélération la dérivée du vecteur vitesse, $\vec a = \dfrac{\mathrm{d}\vec v}{\mathrm{d}t}$. Connaître $\vec a$ grâce aux forces permet de remonter à $\vec v$ puis à la position, en utilisant les conditions initiales (position et vitesse à $t = 0$).
Si $\sum \vec F_{\text{ext}} = \vec 0$, alors $\vec a_G = \vec 0$ : le centre de masse est soit immobile, soit en mouvement rectiligne uniforme (principe d'inertie). C'est le cas d'un équilibre.
Mouvement dans un champ de pesanteur uniforme
Le ballon de handball est lancé depuis un point $O$ avec une vitesse initiale $\vec v_0$ qui fait un angle $\alpha$ avec l'horizontale. On choisit $Ox$ horizontal, $Oy$ vertical vers le haut. Le lancer horizontal correspond à $\alpha = 0$.
Étape 1 : accélération. Seul le poids agit : $m\vec a = m\vec g$, donc $\vec a = \vec g$. Dans le repère choisi : $a_x = 0$ et $a_y = -g$. Comme $\vec a$ n'a pas de composante suivant $Oz$ et que $\vec v_0$ est dans le plan $(Oxy)$, le mouvement est plan.
Étape 2 : vitesse. On cherche la primitive de chaque coordonnée, en utilisant les conditions initiales $v_x(0) = v_0\cos\alpha$ et $v_y(0) = v_0\sin\alpha$ :
$$v_x = v_0\cos\alpha \qquad v_y = -g\,t + v_0\sin\alpha$$Étape 3 : position. On primitive à nouveau, avec $x(0) = 0$ et $y(0) = y_0$ (hauteur du lancer) :
$$x(t) = v_0\cos\alpha\; t \qquad y(t) = -\tfrac{1}{2}g\,t^2 + v_0\sin\alpha\; t + y_0$$Ce sont les équations horaires. Elles montrent que le mouvement horizontal est uniforme et le mouvement vertical uniformément accéléré : les deux sont indépendants, car $\vec g$ n'a pas de composante horizontale.
Étape 4 : équation de la trajectoire. On élimine $t$ en écrivant $t = \dfrac{x}{v_0\cos\alpha}$ :
$$y(x) = -\frac{g}{2\,v_0^{2}\cos^{2}\alpha}\,x^{2} + x\tan\alpha + y_0$$C'est une parabole.
Aspect énergétique. Seul le poids travaille, donc l'énergie mécanique se conserve : $E_c + E_p = \text{cte}$. Entre $O$ (vitesse $v_0$, hauteur $y_0$) et un point de hauteur $y$ :
$$\tfrac{1}{2}mv^2 + mgy = \tfrac{1}{2}mv_0^2 + mgy_0 \quad\Longrightarrow\quad v = \sqrt{v_0^2 + 2g\,(y_0 - y)}$$Cette relation donne la norme de la vitesse sans avoir besoin du temps (elle ne dépend pas de $\alpha$).
Lors d'un entraînement de handball à Rennes, Camille lance un ballon horizontalement depuis le point O situé à une hauteur $h = 1{,}80~\text{m}$ au-dessus du sol. Le…
Lors d'un entraînement de handball à Rennes, Camille lance un ballon horizontalement depuis le point O situé à une hauteur $h = 1{,}80~\text{m}$ au-dessus du sol. Le vecteur vitesse initiale, horizontal, a pour valeur $v_0 = 6{,}0~\text{m·s}^{-1}$. Le ballon est modélisé par un point matériel G de masse $m$, soumis uniquement à son poids. Le champ de pesanteur est uniforme, de valeur $g = 9{,}81~\text{m·s}^{-2}$.
On choisit le repère $(O ; x, y)$ avec l'axe $Ox$ horizontal dans le sens du lancer et l'axe $Oy$ vertical vers le haut. On prend $t = 0$ à l'instant du lancer.
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Appliquer la deuxième loi de Newton au ballon dans un référentiel terrestre supposé galiléen, puis établir les coordonnées du vecteur accélération.
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Établir les équations horaires $x(t)$ et $y(t)$ du mouvement.
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Calculer la durée de la chute du ballon jusqu'au sol, puis la distance horizontale parcourue (portée).
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Établir l'équation de la trajectoire $y(x)$.
Lors d'un match à Villeurbanne, une joueuse de basket lance le ballon depuis un point O situé à $2{,}00~\text{m}$ du sol. Le vecteur vitesse initiale, de valeur $v_0$,…
Lors d'un match à Villeurbanne, une joueuse de basket lance le ballon depuis un point O situé à $2{,}00~\text{m}$ du sol. Le vecteur vitesse initiale, de valeur $v_0$, fait un angle $\alpha = 55^\circ$ avec l'horizontale. Le centre C du panier est situé à la hauteur $3{,}05~\text{m}$, à la distance horizontale $D = 4{,}60~\text{m}$ de la verticale passant par O. Le ballon est modélisé par un point matériel soumis uniquement à son poids. On prend $g = 9{,}81~\text{m·s}^{-2}$. On choisit un repère $(O ; x, y)$ d'origine le point de lancer, $Ox$ horizontal vers le panier et $Oy$ vertical vers le haut.
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Établir les équations horaires $x(t)$ et $y(t)$ du centre de masse du ballon en fonction de $v_0$, $\alpha$ et $g$.
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Établir l'équation de la trajectoire :
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Déterminer la valeur de $v_0$ pour que le ballon passe exactement par le centre C du panier.
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Calculer, pour cette valeur de $v_0$, la durée du trajet entre O et C, puis la valeur de la vitesse du ballon lorsqu'il arrive en C, en utilisant la conservation de l'énergie mécanique.
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La joueuse lance en réalité avec $v_0 = 7{,}40~\text{m·s}^{-1}$ (même angle). Déterminer, en justifiant, si le ballon passe au-dessus ou au-dessous du point C lorsqu'il atteint l'abscisse $x = D$.
Particule chargée dans un champ électrique uniforme
Entre les deux armatures d'un condensateur plan, séparées de $d$ et soumises à une tension $U$, règne un champ électrique uniforme :
$$E = \frac{U}{d}$$Le vecteur $\vec E$ est perpendiculaire aux plaques et dirigé de la plaque reliée à la borne $+$ vers celle reliée à la borne $-$. Une particule de charge $q$ subit la force $\vec F = q\vec E$ : même sens que $\vec E$ si $q > 0$, sens opposé si $q < 0$ (électron).
Pourquoi néglige-t-on le poids ? Compare les ordres de grandeur. Pour un électron, $mg \approx 9\times10^{-30}~\text{N}$, alors que la force électrique vaut souvent $10^{-16}~\text{N}$ : le poids est $10^{14}$ fois plus petit. On l'écrit toujours dans la solution : « le poids est négligeable devant la force électrique ».
Mise en équation. Avec $Ox$ le long de $\vec v_0$ (parallèle aux plaques) et $Oy$ perpendiculaire :
$$m\vec a = q\vec E \quad\Longrightarrow\quad a_x = 0,\quad a_y = \frac{qE}{m}$$C'est exactement la structure du champ de pesanteur, avec $-g$ remplacé par $\dfrac{qE}{m}$. Donc :
$$v_x = v_0,\quad x = v_0 t,\quad y = \frac{qE}{2m}\,t^2 \quad\Longrightarrow\quad y(x) = \frac{qE}{2\,m\,v_0^{2}}\,x^{2}$$Accélérateur linéaire. Si $\vec v_0$ est parallèle à $\vec E$, la particule est simplement accélérée. Le théorème de l'énergie cinétique donne, pour une charge $q$ passant d'une plaque à l'autre : $\tfrac{1}{2}mv^2 - \tfrac{1}{2}mv_0^2 = |q|\,U$. C'est le principe de l'accélérateur linéaire : on enchaîne des zones où le champ accélère la particule.
Dans un tube cathodique de laboratoire, un faisceau d'électrons est dévié par un condensateur plan. Un électron de masse $m = 9{,}11\times10^{-31}~\text{kg}$ et de…
Dans un tube cathodique de laboratoire, un faisceau d'électrons est dévié par un condensateur plan. Un électron de masse $m = 9{,}11\times10^{-31}~\text{kg}$ et de charge $-e$ avec $e = 1{,}60\times10^{-19}~\text{C}$ pénètre en O, à égale distance de deux plaques horizontales, avec une vitesse $\vec{v}_0$ horizontale de valeur $v_0 = 2{,}0\times10^{7}~\text{m·s}^{-1}$.
Les deux plaques, de longueur $L = 6{,}0~\text{cm}$, sont séparées de $d = 4{,}0~\text{cm}$. Elles sont soumises à une tension $U = 200~\text{V}$ : la plaque supérieure est reliée à la borne négative du générateur, la plaque inférieure à la borne positive. Entre les plaques, le champ électrique $\vec{E}$ est supposé uniforme, vertical, de valeur $E = U/d$. On choisit le repère $(O ; x, y)$ avec $Ox$ horizontal dans le sens de $\vec{v}_0$ et $Oy$ vertical vers le haut. On prend $g = 9{,}81~\text{m·s}^{-2}$.
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Représenter, sur un schéma, les plaques, le champ $\vec{E}$ et la force électrique $\vec{F}$ subie par l'électron. Justifier le sens de $\vec{F}$.
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Calculer les valeurs de la force électrique et du poids de l'électron. Justifier que le poids soit négligé.
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Établir les coordonnées du vecteur accélération, puis montrer que le mouvement est plan.
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Établir les équations horaires $x(t)$ et $y(t)$, puis l'équation de la trajectoire $y(x)$.
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Calculer la durée de traversée des plaques, puis la valeur absolue de la déviation verticale $|y_S|$ à la sortie des plaques. Vérifier que l'électron ne heurte pas une plaque.
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En appliquant le théorème de l'énergie cinétique entre l'entrée et la sortie, calculer la valeur de la vitesse de l'électron à la sortie des plaques.
Gravitation : satellites et lois de Kepler
Un satellite de masse $m$ décrit une orbite circulaire de rayon $r$ autour d'un astre de masse $M$ (de la Terre, ou de Jupiter…). Dans le référentiel centré sur l'astre (supposé galiléen), il n'est soumis qu'à la force de gravitation :
$$\vec F = -\,\frac{G\,m\,M}{r^{2}}\;\vec u_r$$où $\vec u_r$ est le vecteur unitaire dirigé de l'astre vers le satellite. Le signe $-$ traduit le caractère attractif.
Accélération. La deuxième loi donne $m\vec a = \vec F$, donc :
$$\vec a = -\,\frac{G\,M}{r^{2}}\;\vec u_r$$L'accélération est centripète et ne dépend pas de $m$. Dans le repère de Frenet $(\vec u_t, \vec u_n)$, avec $\vec u_n = -\vec u_r$, un mouvement circulaire de vitesse $v$ a pour accélération :
$$\vec a = \frac{\mathrm{d}v}{\mathrm{d}t}\,\vec u_t + \frac{v^2}{r}\,\vec u_n$$En identifiant avec $\vec a = \dfrac{GM}{r^2}\vec u_n$ :
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$\dfrac{\mathrm{d}v}{\mathrm{d}t} = 0$ : le mouvement est uniforme ;
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$\dfrac{v^2}{r} = \dfrac{GM}{r^2}$, d'où $\boxed{v = \sqrt{\dfrac{G\,M}{r}}}$.
Période de révolution. En une période, le satellite parcourt $2\pi r$ : $T = \dfrac{2\pi r}{v}$, donc :
$$\boxed{\frac{T^{2}}{r^{3}} = \frac{4\pi^{2}}{G\,M}}$$C'est la troisième loi de Kepler dans le cas circulaire. On l'utilise de deux façons : calculer $T$ connaissant $r$, ou déterminer la masse $M$ de l'astre à partir d'un couple $(T\,;\,r)$ mesuré.
Satellite géostationnaire. C'est un satellite immobile dans le référentiel terrestre. Pour cela, trois conditions :
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son orbite est circulaire et dans le plan de l'équateur (sinon il oscillerait en latitude) ;
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il tourne dans le même sens que la Terre ;
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sa période est égale à la période de rotation sidérale de la Terre : $T = T_S = 86\,164~\text{s}$.
La troisième loi de Kepler impose alors le rayon : $r = \left(\dfrac{G M_T T_S^{2}}{4\pi^{2}}\right)^{1/3} \approx 4{,}22\times10^{7}~\text{m}$, soit une altitude $h = r - R_T \approx 3{,}6\times10^{4}~\text{km}$. Il n'y a qu'une seule altitude possible. C'est pour cela que les satellites de télévision sont tous à la même altitude, au-dessus de l'équateur (la fusée Ariane les met en orbite depuis Kourou, tout près de l'équateur).
Un satellite d'observation de masse $m$ décrit une orbite circulaire autour de la Terre à l'altitude $h = 800~\text{km}$. On étudie son mouvement dans le référentiel…
Un satellite d'observation de masse $m$ décrit une orbite circulaire autour de la Terre à l'altitude $h = 800~\text{km}$. On étudie son mouvement dans le référentiel géocentrique, supposé galiléen. Le satellite est soumis uniquement à la force de gravitation exercée par la Terre.
Données :
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constante de gravitation : $G = 6{,}67\times10^{-11}~\text{m}^3\text{·kg}^{-1}\text{·s}^{-2}$ ;
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masse de la Terre : $M_T = 5{,}97\times10^{24}~\text{kg}$ ;
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rayon de la Terre : $R_T = 6{,}37\times10^{6}~\text{m}$.
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Donner l'expression vectorielle de la force de gravitation exercée par la Terre sur le satellite, en utilisant le vecteur unitaire $\vec{u}_n$ orienté vers le centre de la Terre.
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En appliquant la deuxième loi de Newton, montrer que le mouvement est uniforme et que la valeur de la vitesse est $v = \sqrt{\dfrac{G M_T}{R_T + h}}$.
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Calculer la valeur de la vitesse du satellite.
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Établir l'expression de la période de révolution $T$ du satellite, puis calculer sa valeur en minutes.
On souhaite déterminer la masse de Jupiter à partir du mouvement de ses satellites galiléens, supposés en orbite circulaire autour de Jupiter. Le mouvement est étudié…
On souhaite déterminer la masse de Jupiter à partir du mouvement de ses satellites galiléens, supposés en orbite circulaire autour de Jupiter. Le mouvement est étudié dans un référentiel « jovicentrique » supposé galiléen. Les données sont rassemblées dans le tableau ci-dessous.
| Satellite | Période de révolution $T$ (jours) | Rayon de l'orbite $r$ ($10^{5}~\text{km}$) |
|---|---|---|
| Io | 1,769 | 4,217 |
| Europe | 3,551 | 6,709 |
| Ganymède | 7,155 | 10,704 |
Données : $G = 6{,}67\times10^{-11}~\text{m}^3\text{·kg}^{-1}\text{·s}^{-2}$ ; 1 jour $= 86\,400~\text{s}$.
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Montrer, en appliquant la deuxième loi de Newton à un satellite de masse $m$ en mouvement circulaire uniforme autour de Jupiter de masse $M_J$, que $\dfrac{T^2}{r^3} = \dfrac{4\pi^2}{G M_J}$.
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Calculer le rapport $T^2/r^3$ pour chaque satellite, en jours$^2$ par $(10^{5}~\text{km})^3$, et conclure quant à la validité de la troisième loi de Kepler.
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Le programme Python suivant doit calculer la masse de Jupiter à partir des données de Ganymède. Compléter les deux lignes repérées par
# À COMPLÉTER.
import numpy as np
G = 6.67e-11
T = 7.155 * 86400 # période en secondes
r = 10.704e5 * 1e3 # rayon en mètres
rapport = ... # À COMPLÉTER : calcul de T**2 / r**3
M_J = ... # À COMPLÉTER : calcul de la masse de Jupiter
print(f"M_J = {M_J:.2e} kg")
- Calculer la masse de Jupiter et commenter le résultat en le comparant à la masse de la Terre, $5{,}97\times10^{24}~\text{kg}$.
Un opérateur de télécommunications exploite un satellite géostationnaire de masse $m$ pour retransmettre des émissions télévisées à destination de la France. Données :…
Un opérateur de télécommunications exploite un satellite géostationnaire de masse $m$ pour retransmettre des émissions télévisées à destination de la France.
Données :
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constante de gravitation : $G = 6{,}67\times10^{-11}~\text{m}^3\text{·kg}^{-1}\text{·s}^{-2}$ ;
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masse de la Terre : $M_T = 5{,}97\times10^{24}~\text{kg}$ ;
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rayon de la Terre : $R_T = 6{,}37\times10^{6}~\text{m}$ ;
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période de rotation sidérale de la Terre : $T_S = 86\,164~\text{s}$ ;
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célérité de la lumière dans le vide : $c = 3{,}00\times10^{8}~\text{m·s}^{-1}$.
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Définir un satellite géostationnaire. Justifier qualitativement que son orbite est circulaire, située dans le plan équatorial, et que sa période de révolution est égale à $T_S$.
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Établir, dans le référentiel géocentrique supposé galiléen, l'expression de la vitesse $v$ d'un satellite en orbite circulaire de rayon $r$, puis celle de $r^3$ en fonction de $T$.
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Calculer l'altitude $h$ du satellite géostationnaire et la valeur de sa vitesse.
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Un récepteur est situé à la verticale du satellite. Calculer la durée minimale d'un aller-retour d'un signal radio entre ce récepteur et le satellite.
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Un satellite d'observation en orbite circulaire basse, à l'altitude de $400~\text{km}$, survole régulièrement la même région de l'équateur. Déterminer, en justifiant, le rapport entre sa période de révolution et celle du satellite géostationnaire. Commenter.
Poussée d'Archimède
Pourquoi un ballon gonflé à l'hélium monte-t-il ? Parce que l'air qui l'entoure le pousse vers le haut.
Origine. La pression d'un fluide augmente avec la profondeur : $P_2 - P_1 = \rho\, g\,(z_1 - z_2)$. Sur un objet immergé, les forces pressantes sont donc plus fortes sur la face inférieure que sur la face supérieure. La résultante de toutes ces forces de pression est la poussée d'Archimède : elle est dirigée vers le haut.
Le signe $-$ montre que $\vec\Pi$ est opposée à $\vec g$ : elle est verticale, dirigée vers le haut.
Condition de flottabilité. L'objet entièrement immergé monte si $\Pi > P$, c'est-à-dire si sa masse volumique moyenne est inférieure à celle du fluide. Pour un ballon, on compte la masse totale : enveloppe + gaz. Une montgolfière monte parce que l'air chaud, moins dense, abaisse la masse volumique moyenne de l'ensemble.
Un ballon sonde de la station météorologique de Trappes est gonflé avec de l'hélium. Son enveloppe, de volume $V = 10~\text{m}^3$ une fois gonflée, a une masse…
Un ballon sonde de la station météorologique de Trappes est gonflé avec de l'hélium. Son enveloppe, de volume $V = 10~\text{m}^3$ une fois gonflée, a une masse $m_e = 2{,}0~\text{kg}$. On étudie le ballon à proximité du sol, dans l'air immobile.
Données :
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masse volumique de l'air : $\rho_{\text{air}} = 1{,}20~\text{kg·m}^{-3}$ ;
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masse volumique de l'hélium dans le ballon : $\rho_{\text{He}} = 0{,}17~\text{kg·m}^{-3}$ ;
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intensité de la pesanteur : $g = 9{,}81~\text{m·s}^{-2}$.
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Expliquer qualitativement l'origine de la poussée d'Archimède exercée par l'air sur le ballon.
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Donner l'expression vectorielle de la poussée d'Archimède $\vec{\Pi}$ et calculer sa valeur.
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Calculer la masse d'hélium contenue dans le ballon, puis la valeur du poids de l'ensemble {enveloppe + hélium}.
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Le ballon doit emporter une sonde de masse $m_s$. Déterminer la masse maximale $m_{s,\max}$ pour que le ballon puisse décoller, en justifiant le critère utilisé.
Écoulement d'un fluide : débit et relation de Bernoulli
Le fluide est maintenant en mouvement. On suppose l'écoulement permanent (les grandeurs ne dépendent pas du temps en un point donné) et le fluide incompressible ($\rho$ constante).
Débit volumique. Pendant $\Delta t$, le volume de fluide qui traverse une section $S$ à la vitesse $v$ est $S\,v\,\Delta t$. Donc :
$$D_v = \frac{V}{\Delta t} = S\,v \qquad (\text{en } \text{m}^3\text{·s}^{-1})$$Pour un fluide incompressible en écoulement permanent, le débit se conserve : entre deux sections, $S_1 v_1 = S_2 v_2$. Là où la conduite se rétrécit, le fluide va plus vite.
Relation de Bernoulli. Elle est fournie dans l'énoncé. Entre deux points A et B d'une même ligne de courant (écoulement permanent, fluide incompressible, sans frottements) :
$$P_A + \tfrac{1}{2}\rho v_A^{2} + \rho g z_A = P_B + \tfrac{1}{2}\rho v_B^{2} + \rho g z_B$$Chaque terme est une pression, en pascals ($\text{Pa}$) : $P$ pression statique, $\tfrac{1}{2}\rho v^2$ pression cinétique, $\rho g z$ pression de pesanteur.
Effet Venturi. Pour une conduite horizontale ($z_1 = z_2$), Bernoulli donne $P_1 - P_2 = \tfrac{1}{2}\rho\,(v_2^{2} - v_1^{2})$. Si $S2 < S_1$, alors $v_2 > v1$ et donc $P2 < P_1$ : là où le fluide va vite, la pression baisse. On exploite cet effet dans le carburateur d'un moteur ou pour mesurer un débit.
Cas du réservoir qui se vide (formule de Torricelli). Pour un réservoir ouvert, avec A à la surface libre (pression atmosphérique, vitesse $v_A$) et B à l'orifice (pression atmosphérique, vitesse $v_B$), à la profondeur $h$ sous la surface, la conservation du débit $S\,v_A = s\,v_B$ et Bernoulli donnent $v_B^{2}\left(1 - \dfrac{s^2}{S^2}\right) = 2gh$. Si l'orifice est très petit devant le réservoir ($s \ll S$) : $v_B \approx \sqrt{2gh}$.
Une conduite horizontale transporte de l'eau en écoulement permanent. L'eau est assimilée à un fluide incompressible de masse volumique…
Une conduite horizontale transporte de l'eau en écoulement permanent. L'eau est assimilée à un fluide incompressible de masse volumique $\rho = 1{,}00\times10^{3}~\text{kg·m}^{-3}$. La conduite présente un rétrécissement (effet Venturi) : sa section passe de $S_1 = 12~\text{cm}^2$ à $S_2 = 3{,}0~\text{cm}^2$. Le débit volumique est $D_v = 0{,}60~\text{L·s}^{-1}$.
Relation de Bernoulli entre deux points A et B d'une même ligne de courant :
$$P_A + \frac{1}{2}\rho v_A^2 + \rho g z_A = P_B + \frac{1}{2}\rho v_B^2 + \rho g z_B$$-
Rappeler la relation entre le débit volumique, la section et la vitesse d'écoulement, puis calculer les vitesses $v_1$ et $v_2$ de l'eau dans chacune des deux sections.
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En utilisant la relation de Bernoulli, calculer la différence de pression $P_1 - P_2$ entre les deux sections.
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Indiquer, en justifiant, dans quelle section la pression est la plus faible.
Un réservoir cylindrique ouvert à l'air libre, de diamètre $D = 1{,}0~\text{m}$, contient de l'eau (fluide incompressible, de masse volumique…
Un réservoir cylindrique ouvert à l'air libre, de diamètre $D = 1{,}0~\text{m}$, contient de l'eau (fluide incompressible, de masse volumique $\rho = 1{,}00\times10^{3}~\text{kg·m}^{-3}$) sur une hauteur initiale $h_0 = 1{,}5~\text{m}$. Un orifice circulaire de diamètre $d = 2{,}0~\text{cm}$ percé à la base du réservoir permet l'écoulement de l'eau vers l'extérieur, à l'air libre. On note $S$ la section du réservoir, $s$ celle de l'orifice, $h(t)$ la hauteur d'eau à l'instant $t$ et $g = 9{,}81~\text{m·s}^{-2}$. On suppose l'écoulement quasi permanent à chaque instant, et la pression égale à la pression atmosphérique à la surface libre et à la sortie de l'orifice.
Relation de Bernoulli entre deux points A et B d'une même ligne de courant :
$$P_A + \frac{1}{2}\rho v_A^2 + \rho g z_A = P_B + \frac{1}{2}\rho v_B^2 + \rho g z_B$$-
En appliquant la relation de Bernoulli entre la surface libre (point A) et la sortie de l'orifice (point B), et la conservation du débit volumique, établir l'expression de la vitesse $v_B$ d'éjection en fonction de $g$, $h$, $S$ et $s$.
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Calculer le rapport $S/s$. Justifier que l'on puisse écrire $v_B \approx \sqrt{2gh}$, puis calculer $v_B$ et le débit volumique pour $h = h_0$.
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En exprimant la conservation du volume d'eau, montrer que la hauteur vérifie $\dfrac{\mathrm{d}h}{\mathrm{d}t} = -\dfrac{s}{S}\sqrt{2gh}$.
-
On résout cette équation par la méthode d'Euler avec un pas $\Delta t = 1{,}0~\text{s}$. Compléter les deux lignes repérées par
# À COMPLÉTERdu programme suivant, qui détermine la durée de vidange.
import numpy as np
g = 9.81
S = np.pi * (1.0 / 2) ** 2
s = np.pi * (0.020 / 2) ** 2
dt = 1.0
t = 0.0
h = 1.5
while h > 0:
dhdt = ... # À COMPLÉTER : dérivée de h
h = ... # À COMPLÉTER : nouvelle valeur de h (Euler)
t = t + dt
print(f"Durée de vidange : {t:.0f} s")
- On admet que la solution exacte est $h(t) = \left(\sqrt{h_0} - \dfrac{s}{S}\sqrt{\dfrac{g}{2}}\,t\right)^2$. En déduire la durée théorique de vidange et la comparer à la valeur attendue du programme.
Retour au début : un satellite géostationnaire reste au-dessus de Kourou parce que sa période est égale à celle de la rotation de la Terre ; la troisième loi de Kepler, issue de la deuxième loi de Newton, fixe alors son altitude à environ 36 000 km.
L'essentiel
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Méthode : système, référentiel galiléen, bilan des forces, $\sum\vec F_{\text{ext}} = m\vec a_G$, projection, puis intégration avec les conditions initiales.
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Champ de pesanteur uniforme : $\vec a = \vec g$ ; mouvement plan ; $x = v_0\cos\alpha\,t$, $y = -\tfrac12 g t^2 + v_0\sin\alpha\,t + y_0$ ; trajectoire parabolique ; conservation de $E_m$.
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Champ électrique uniforme : $E = U/d$, $\vec F = q\vec E$, poids négligeable ; même structure avec $a_y = qE/m$.
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Satellites : $v = \sqrt{GM/r}$, $\dfrac{T^2}{r^3} = \dfrac{4\pi^2}{GM}$ ($r$ depuis le centre de l'astre) ; géostationnaire : équatorial, $T = T_S = 86\,164~\text{s}$, $h \approx 36\,000~\text{km}$.
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Archimède : $\vec\Pi = -\rho_{\text{fluide}}\,V_{\text{immergé}}\,\vec g$.
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Fluides : $D_v = S\,v$ se conserve ; Bernoulli (fournie) : $P + \tfrac12\rho v^2 + \rho g z = \text{cte}$ ; effet Venturi : vitesse plus grande, pression plus faible.