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OSCILLATEUR HARMONIQUE EN RÉGIME FORCÉ

Dans le document MÉCANIQUE DU POINT MATÉRIEL  (Page 62-67)

 

OSCILLATEUR HARMONIQUE EN RÉGIME FORCÉ 

         

I  L'OSCILLATEUR FORCÉ   

  L'oscillateur livré à lui‐même (oscillateur libre) se met à osciller grâce à l'énergie emmagasinée. Dans le  chapitre précédent, on an a vu que la force de frottement induit un amortissement des oscillations qui s'annulent  au bout d'un certain temps (quelques  ). Si l'on veut maintenir ces oscillations, il faut restituer régulièrement à  l'oscillateur l'énergie dissipée par les forces de frottement (ou par effet Joule dans le cas du circuit  ) : on dit  qu'il faut entretenir ces oscillations. Pour cela on applique une force, dite force excitatrice, (ou excitateur)  indépendante de l'élongation du système. L'oscillateur qui répond aux excitations est appelé, pour des raisons qui  apparaîtront plus tard, résonateur et les oscillations entretenues par la force excitatrice sont dites oscillations  forcées. 

Cette étude est très intéressante car elle permet de traiter une grande variété de phénomènes de même type,  mais de natures physiques très différentes. Il peut s’agir de systèmes mécaniques (un amortisseur de voiture par  exemple) soumis à des contraintes extérieures, des atomes excités par des ondes lumineuses, ou encore certains  réseaux électriques soumis à des excitations (circuits RLC par exemple). 

 

À  titre  d'exemple  d'oscillations  forcées,  on  va  considérer  le  cas  d'une  excitation  sinusoïdale  de type    où    est la pulsation de la force excitatrice et   une constante. 

 

I ‐ 1 ‐ équation différentielle du mouvement   

  Considérons le cas de l'oscillateur amorti par frottement visqueux étudié dans le chapitre IV : c'est l'exemple  d'une masse   attachée à un ressort de raideur   et soumis, en plus de la force de rappel  , à une force de  frottement visqueux    où   est le coefficient de frottement visqueux ( 0). 

 

Appliquons le théorème de l'énergie mécanique :   

. .  

 

       

 

avec       (pulsation propre) et     (coefficient d'amortissement)   

Cette équation différentielle est une équation de second ordre avec second membre dont la solution est la  somme : 

 

     de la solution générale de l'équation différentielle sans second membre, c'est à dire de l'équation   (qui correspond à l'oscillateur amorti étudié dans le chapitre précédent). Après un certain temps  plus ou moins court selon la force de frottement, cette solution tend vers zéro. 

 

     d'une solution particulière de l'équation différentielle avec second membre. Cette solution particulière 

s'écrit :    

 

62 I ‐ 2 ‐ étude du mouvement 

 

I ‐ 2 ‐ a ‐ régime transitoire et régime permanent   

  Le régime transitoire correspond à la solution complète de l'équation différentielle (somme de la solution  générale et de la solution particulière). Ce régime qui ne dure pas puisque après un temps (quelques ) la solution  générale s'annule, est dit régime transitoire. 

 

  Quand le régime transitoire s'est complètement évanoui (solution générale s'annule) il ne subsiste que la  solution particulière est le régime est dit permanent (oscillations forcées ou régime forcé). 

Les oscillations forcées (régime permanent) sont caractérisées par la solution :   

   

où   est l'amplitude du régime forcé et   le déphasage par rapport à l'excitation   

 

I ‐ 2 ‐ b ‐ étude du régime permanent (détermination de   et   

Dans ce paragraphe on va utiliser deux approches pour déterminer l'amplitude du régime forcé   et le  déphasage   par rapport à l'excitation. 

 

   méthode algébrique :   

  Il s'agit de remplacer, dans l'équation différentielle de mouvement,   par   et  identifier les différents termes. 

 

                 

 

         

 

si         alors      équation (1) 

 

si       alors             équation (2) 

 

la somme des carrées des deux équations précédentes donne : 

 

puis, éé        

   

   méthode des complexes :   

  Pour cette méthode on associe à chaque grandeur algébrique   une fonction complexe   telle que    c'est à dire dans notre problème, au déplacement sinusoïdal  , on associe la fonction complexe    

63  telle que   puis à   on associe la fonction complexe   telle 

que   et à l'équation différentielle du mouvement   on associe l'équation 

différentielle complexe     

 

Le nombre   est le nombre complexe tel que     

         

 

avec    qui est l'amplitude complexe. 

 

Il est clair que :     | |       et         

 

maintenant si      alors      et     

 

L'équation différentielle complexe du mouvement donne, après simplification par   :   

  d'où : 

| |  

  et 

 

   

I ‐ 2 ‐ c ‐ réponse en amplitude   

  On dit qu'il y a résonance d'amplitude si l'amplitude des oscillations forcées,  ,prend une valeur maximale. 

 

L'amplitude   prend une valeur maximale si le dénominateur de l'expression donnant   est minimal, c'est à  dire si la fonction   est minimale. Déterminons alors l'expression de   pour  laquelle   est minimale (donc   est maximal). 

 

                       ou       

 

La deuxième solution ne donnera des valeurs réelles que si  √       

 

‐ Si 

 on deux solutions possibles : 

    et     

 

Les amplitudes sont :   

   pour    

64

et          pour    c'est la résonance en amplitude. 

 

‐ Si   alors il n'existe qu'une seule solution          l'amplitude décroit avec la pulsation 

    pas de résonance. 

   

  On remarque bien que l'amplitude tend vers zéro quand la pulsation de l'excitation devient trop grande. Pour  un faible amortissement on observe une résonance d'amplitude qui se manifeste par un pic pour une valeur de  . Pour un amortissement très faible, la résonance d'amplitude a lieu en  . Dans le cas général la  résonance d'amplitude est obtenue pour  . Pour les amortissements forts, cette résonance disparaît. 

Le schéma ci‐dessous donne la variation de   en fonction de la pulsation   de l'excitateur. 

                       

  On définit la bande passante comme étant l'intervalle des fréquences pour lequel l'amplitude est égale à 

 

 

         

 

     

 

 

    

et   

    

     

 

I ‐ 2 ‐ d ‐ réponse en phase   

Rappelons que    

 

      et       

  

Résonance aiguë ()

Résonance floue

Proche de l’amortissement critique 

Amortissement fort (pas de résonance)

)

)

65 On remarque que        , ceci signifie que la réponse   de l'oscillateur est en retard de  phase par rapport au résonateur. 

 

si   alors   et   ;     si  →  alors  →     et    si  → ∞ alors  →  

 

I ‐ 2 ‐ e ‐ étude de la vitesse (résonance de vitesse)   

        où        est l'amplitude complexe de la vitesse. 

| |  

 

  On dit qu'il y a résonance de vitesse si la vitesse prend une valeur maximale. Déterminons alors l'expression  de   pour laquelle on a résonance de vitesse. 

 

        

donc quel que soit l'amortissement, il y a résonance de vitesse pour :    et l'amplitude de la vitesse est   

 

Maintenant le déphasage  ′ entre la vitesse de l'oscillateur et la force excitatrice est donné par la relation :   

           ′  

 

où   est le déphasage entre l'amplitude de l'oscillateur et la force excitatrice   

I ‐ 2 ‐ f ‐ impédance mécanique   

  On appelle  impédance  mécanique, le rapport  de l'amplitude complexe de  la  force  excitatrice et de  l'amplitude complexe de la vitesse :  

   

     

 

Posons       et                  

 

    | |  

 

Remarque :   

À la résonance     et      

Pour le circuit électrique équivalent (circuit  ) l'impédance électrique est   | |   et  à la résonance  . 

66 celles‐ci ont une contribution nulle au moment cinétique pris en un point particulier, ce qui simplifie parfois  grandement  l'analyse.  C'est  ainsi  qu'il  est  utilisé  pour  démontrer  la seconde  loi  de  Kepler décrivant  les  mouvements des planètes autour du Soleil. 

  Soit un point matériel  , de masse  , en mouvement avec une vitesse   dans un référentiel  .  Soit   un point fixe de ce référentiel. 

Le moment cinétique dans  ,   en  , du point   est défini par le produit vectoriel de son vecteur position et sa  quantité de mouvement : 

∧ ∧  

 

Dans le système international, le moment cinétique est exprimé en  . .   

Remarque : moment cinétique en un point  ′ dans     

Considérons un point  ′ dans  . Le moment cinétique en ce point  ′ est :   

′ ∧ ′ ∧ ∧ ′ ∧  

   

APPLICATION   

  Considérons le référentiel fixe  ,  muni de la BOND  , , . Exprimer le moment cinétique en    dans le système des coordonnées cylindriques du point 

Étudier le cas particulier d'un mouvement qui s'effectue dans le plan   

      Solution : 

Vecteur moment cinétique dans  le cas d’une trajectoire plane 

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