Etude d'un ressort (énoncé)

 

Q1

a) Représentation de l'allongement du ressort en fonction de la masse m. L'allongement DL du ressort est proportionnel  à la masse m.

Pour déterminer le coefficient de proportionnalité A de la droite on prend 2 points:

 M1 (m1 = 0,2 kg ; Dl1 = 5.10-2 m) et  M2 (m2 = 1kg ; Dl2 = 25.10-2 m), puis on applique la formule du calcul du coefficient directeur, vieille comme le monde. 

Remarquez comme je me suis empressé de convertir les allongements dans l'unité légale! Quelle bonne idée, je m'en félicite chaudement, et pour me récompenser je vais voir un petit quart d'heure Roland Garros à la télé.


b) A l'équilibre la somme des forces s'exerçant sur le solide est égale au vecteur nul !  Les 2 forces extérieures au solide sont le poids P et la force de rappel du ressort F avec :

c) Réponse partielle pour voir la vidéo clique ici.

Q2

a) Pour faire l'étude mécanique du système, il faut toujours définir dans l'ordre :

1) Le système : la masse M.

2) Le référentiel : la Terre supposée référentiel galiléen, dans lequel on pourra appliquer la seconde loi de Newton.

3) Le repère orthonormé cartésien lié au référentiel : 

4) Somme des forces extérieures au système :

Remarque: la réaction R du plan est perpendiculaire au plan car il n'y a pas de frottement ! Elle compense l'action du poids donc leur somme vectorielle est nulle !

b) Voir la vidéo pour la démonstration

c) Expression de la pulsation propre wo:

     et

donc l'expression de la période propre d'oscillation est :

d) La question à ne manquer sous aucun prétexte.

 

Q3

a) Voir la vidéo pour la démonstration.

b) Réponse partielle voir la vidéo pour plus d'explications :

et

c) La valeur de l'élongation x au cours du temps est donnée par l'expression:

dès que l'instant t >0 la valeur de l'angle (w o.t + 3.p /2) augmente et devient supérieure à 3p /2. La valeur de cos(w o.t + 3.p /2) devient positive donc x >0 !

Le solide se déplace vers la droite, dans le sens de l'étirement du ressort.

L'autre façon de voir les choses est qu'à  t = 0 la coordonnée de la vitesse Vx(0) = 2 cm.s-1 > 0.
Le bolide va bien de la gauche vers la droite !

Q4

a) La nouvelle période est :

b) Réponse partielle voir la vidéo pour plus d'information

c) m = 20.10-3 kg ; T1 = 10,7/10 = 1,07 s ; To = 1,06 s ;

On avait trouvé, à l'aide de la méthode statique, k = 39,2 N.m-1

Différence relative par rapport à la valeur statique :

La différence relative est assez faible, les deux méthodes donnent des résultats similaires.

Q5

a) Données : xo= 0 et Vx(0) = 2 cm.s-1 = 2.10-2 cm.s-1 ; k = 39,2 N.m-1 ;

*On choisit de prendre l'ordonnée du point G égale à l'origine yO de l'axe des ordonnées, par conséquent :

L'énergie potentielle de pesanteur est nulle tout au long du mouvement.

Epp = mg(yG-yo) = 0 (car yo=yG ).

L'énergie mécanique initiale est par conséquent :

Em(i)= Epe(i)+Ec(i)+Epp avec :

Epe(i) = 0,5.k.xo2 = 0 J (énergie potentielle élastique )

Ec(i) = 0,5.M.Vx(0)2 = 0,5x1,12x(2.10-2)2 = 2,24.10-4 J

Em(i) = 2,24.10-4J

b) L'énergie mécanique se conserve puisqu'il n'y a pas de frottement par conséquent quand l'énergie cinétique est maximale l'énergie potentielle élastique est nulle (et inversement) : 

Em = Ec(max) = Ep(max) = 2,24 . 10-4 J

c) Allure des courbes Epe(t), Em(t), et Ec(t)

A remarquer qu'à t = 0 Ec = Ec(max) et Epe = O J