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MF4 – Bilans macroscopiques A – Travaux dirigés MF41 – Force exercée par un liquide sur un tuyau coudé

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Academic year: 2022

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Texte intégral

(1)

MF4 – Bilans macroscopiques A – Travaux dirigés

MF41 – Force exercée par un liquide sur un tuyau coudé

(2)
(3)

MF42 - Théorie unidimensionnelle de l'hélice

1°) Bilan de masse : 𝐷𝐷𝑚𝑚 = 𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐,𝑜𝑜𝑜𝑜 µ = 𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐 𝑑𝑑𝑜𝑜ù 𝐷𝐷𝑣𝑣 = 𝑆𝑆𝑆𝑆 =𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐 𝑆𝑆𝑆𝑆 =𝑆𝑆1𝑆𝑆1 =𝑆𝑆2𝑆𝑆2

2°) Bilan de quantité de mouvement : 𝐷𝐷𝑝𝑝⃗

𝐷𝐷𝑐𝑐 =𝐷𝐷𝑚𝑚2𝑆𝑆����⃗ − 𝐷𝐷2 𝑚𝑚1𝑆𝑆����⃗1 =𝐷𝐷𝑚𝑚(𝑆𝑆2− 𝑆𝑆1)𝑢𝑢����⃗𝑥𝑥 = µ𝐷𝐷𝑣𝑣(𝑆𝑆2− 𝑆𝑆1)𝑢𝑢����⃗𝑥𝑥

𝑃𝑃 = 𝐹𝐹⃗.𝑆𝑆⃗ = µ𝐷𝐷𝑣𝑣(𝑆𝑆2− 𝑆𝑆1)𝑆𝑆 3°) Bilan d’énergie :

𝐷𝐷𝐸𝐸𝑚𝑚

𝐷𝐷𝑐𝑐 = 𝐷𝐷𝑚𝑚2𝑐𝑐2− 𝐷𝐷𝑚𝑚1𝑐𝑐1 =𝐷𝐷𝑚𝑚(𝑐𝑐2 − 𝑐𝑐1) = 𝐷𝐷𝑚𝑚(𝑆𝑆22− 𝑆𝑆12)

2 =𝑃𝑃

Donc :

𝑃𝑃 = µ𝐷𝐷𝑣𝑣(𝑆𝑆22− 𝑆𝑆12) 2 = 𝑃𝑃

𝐷𝐷𝑚𝑚(𝑆𝑆22− 𝑆𝑆12)

2 =µ𝐷𝐷𝑣𝑣(𝑆𝑆2 − 𝑆𝑆1)𝑆𝑆 𝑆𝑆 = (𝑆𝑆2+𝑆𝑆1) 2

𝑃𝑃 = µ𝑆𝑆(𝑆𝑆2 − 𝑆𝑆1)(𝑆𝑆2 +𝑆𝑆1)2 4°) Si 𝑆𝑆1 = 0 ∶ 4

𝑃𝑃 =µ𝑆𝑆𝑆𝑆23

4 𝑐𝑐𝑐𝑐 𝐹𝐹 =µ𝑆𝑆𝑆𝑆22 Donc : 2

𝐹𝐹 =µ𝑆𝑆 4𝑃𝑃µ𝑆𝑆�

23

2 = 1

2(4𝑃𝑃)23𝑆𝑆)1/3 L’hélicoptère décolle si : 𝐹𝐹 >𝑀𝑀𝑀𝑀

1

2(4𝑃𝑃)23𝑆𝑆)13 > 𝑀𝑀𝑀𝑀

(4𝑃𝑃)23 > 2𝑀𝑀𝑀𝑀

𝑆𝑆)13 4𝑃𝑃 > (2𝑀𝑀𝑀𝑀)

32

𝑆𝑆)12

𝑃𝑃 >1 4

(2𝑀𝑀𝑀𝑀)32𝑆𝑆)12

𝑃𝑃 >(𝑀𝑀𝑀𝑀)3/2

(2µ𝑆𝑆)12 𝑃𝑃 > (𝑀𝑀𝑀𝑀)3

𝑆𝑆 𝑃𝑃 > (𝑀𝑀𝑀𝑀)3.π𝐷𝐷2

4

𝑃𝑃 >2(𝑀𝑀𝑀𝑀)µ.π𝐷𝐷23 = 400𝑘𝑘𝑘𝑘

(4)

MF43 – Fusée Ariane 5

(5)
(6)

MF44 – Onde de ressaut

1°) Bilan de masse entre t et t+dt :

� 𝑚𝑚(𝑐𝑐) = 𝑚𝑚(𝑐𝑐) +δ𝑚𝑚1 𝑚𝑚(𝑐𝑐 +𝑑𝑑𝑐𝑐) = 𝑚𝑚(𝑐𝑐+𝑑𝑑𝑐𝑐) +δ𝑚𝑚2 L’écoulement étant stationnaire, on a :

𝑚𝑚(𝑐𝑐) = 𝑚𝑚(𝑐𝑐+𝑑𝑑𝑐𝑐) ⇒δ𝑚𝑚1 = δ𝑚𝑚2

𝜌𝜌𝜌𝜌ℎ(𝑆𝑆 +𝑤𝑤)𝑑𝑑𝑐𝑐 = 𝜌𝜌𝜌𝜌ℎ𝑤𝑤𝑑𝑑𝑐𝑐

ℎ(𝑆𝑆 +𝑤𝑤) = 𝑤𝑤

(ℎ − ℎ)𝑤𝑤= ℎ𝑆𝑆 2°) Bilan de quantité de mouvement sur Σ :

� 𝑝𝑝����⃗(𝑐𝑐) = 𝑝𝑝⃗(𝑐𝑐) +δ𝑚𝑚1 (𝑆𝑆⃗ +𝑤𝑤��⃗) 𝑝𝑝

����⃗(𝑐𝑐+𝑑𝑑𝑐𝑐) = 𝑝𝑝⃗(𝑐𝑐 +𝑑𝑑𝑐𝑐) +δ𝑚𝑚2 𝑤𝑤��⃗

L’écoulement étant stationnaire, on a : 𝐷𝐷𝑝𝑝����⃗

𝐷𝐷𝑐𝑐 𝑑𝑑𝑐𝑐 =δ𝑚𝑚2 𝑤𝑤��⃗ −δ𝑚𝑚1 (𝑆𝑆⃗ +𝑤𝑤��⃗)

𝐷𝐷𝑝𝑝����⃗

𝐷𝐷𝑐𝑐 = δ𝑚𝑚2

𝑑𝑑𝑐𝑐 � 𝑤𝑤��⃗ − (𝑆𝑆⃗ +𝑤𝑤��⃗)�

𝐷𝐷𝑝𝑝����⃗

𝐷𝐷𝑐𝑐 = −𝜌𝜌𝜌𝜌ℎ𝑤𝑤 𝑆𝑆⃗

Donc :

𝐷𝐷𝑝𝑝𝑥𝑥

𝐷𝐷𝑐𝑐 =−𝜌𝜌𝜌𝜌ℎ𝑤𝑤 𝑆𝑆 3°)

(7)

- Sur la surface 𝑆𝑆1, la pression extérieure est : 𝑝𝑝0𝑀𝑀𝑔𝑔.

- Sur la surface 𝑆𝑆2, la pression extérieure est : 𝑝𝑝0𝑀𝑀𝑔𝑔.

- Sur le front de vague, la pression extérieure est : 𝑝𝑝0. D’où :

⎩⎪

⎪⎨

⎪⎪

⎧ 𝐹𝐹⃗𝑆𝑆1 =�(𝑝𝑝0𝑀𝑀𝑔𝑔)

0 𝜌𝜌𝑑𝑑𝑔𝑔 𝑢𝑢����⃗𝑥𝑥 =�𝑝𝑝0𝜌𝜌ℎ+ρ𝑀𝑀𝜌𝜌ℎ2 2 � 𝑢𝑢����⃗𝑥𝑥

𝐹𝐹⃗𝑆𝑆2 =� (𝑝𝑝0𝑀𝑀𝑔𝑔)

0 𝜌𝜌𝑑𝑑𝑔𝑔 (−𝑢𝑢����⃗) =𝑥𝑥 − �𝑝𝑝0𝜌𝜌ℎ′+ρ𝑀𝑀𝜌𝜌ℎ′2 2 � 𝑢𝑢����⃗𝑥𝑥

𝐹𝐹𝑣𝑣𝑣𝑣𝑣𝑣𝑣𝑣𝑣𝑣

������������⃗ =� 𝑝𝑝0

𝜌𝜌 𝑑𝑑𝑔𝑔 𝑢𝑢����⃗𝑥𝑥 = (𝑝𝑝0𝜌𝜌ℎ− 𝑝𝑝0𝜌𝜌ℎ)𝑢𝑢����⃗𝑥𝑥

𝐹𝐹⃗ = ρ𝑀𝑀𝜌𝜌

2 (ℎ2− ℎ′2)𝑢𝑢����⃗𝑥𝑥 4°) D’où le bilan sur (Ox) où le poids n’intervient pas :

ρ𝑀𝑀𝜌𝜌

2 (ℎ2− ℎ′2) = −𝜌𝜌𝜌𝜌ℎ𝑤𝑤 𝑆𝑆

𝑀𝑀

2(ℎ′2− ℎ2) = ℎ𝑤𝑤 𝑆𝑆 5°) On a donc :

� 𝑀𝑀

2(ℎ′2− ℎ2) = ℎ′𝑤𝑤 𝑆𝑆 (ℎ − ℎ)𝑤𝑤 = ℎ𝑆𝑆

𝑀𝑀

2(ℎ′2 − ℎ2) = ℎ𝑤𝑤2(ℎ − ℎ) ℎ

𝑀𝑀

2(ℎ +ℎ) = ℎ ℎ 𝑤𝑤2

𝑤𝑤 = �𝑀𝑀ℎ

2ℎ(ℎ +ℎ) 6°)

a) Par un bilan d’énergie mécanique sur

Σ

: 𝐷𝐷𝐸𝐸𝑚𝑚

𝐷𝐷𝑐𝑐 =𝐸𝐸𝑚𝑚 (𝑐𝑐 +𝑑𝑑𝑐𝑐)− 𝐸𝐸𝑚𝑚 (𝑐𝑐) = 𝐷𝐷𝑚𝑚2�𝑤𝑤2 2 +

𝑀𝑀ℎ

2 � − 𝐷𝐷𝑚𝑚1�(𝑤𝑤+𝑆𝑆)2 2 +𝑀𝑀ℎ

2 �

𝐷𝐷𝐸𝐸𝑚𝑚

𝐷𝐷𝑐𝑐 =ρ𝜌𝜌ℎ𝑤𝑤

2 �𝑤𝑤2 −(𝑆𝑆+𝑤𝑤)2+𝑀𝑀(ℎ − ℎ)�

Or : ℎ(𝑆𝑆 +𝑤𝑤) = ℎ𝑤𝑤

(8)

𝐷𝐷𝐸𝐸𝑚𝑚

𝐷𝐷𝑐𝑐 =ρ𝜌𝜌ℎ𝑤𝑤

2 �𝑤𝑤2− �ℎ ℎ 𝑤𝑤�

2

+𝑀𝑀(ℎ − ℎ)�

𝐷𝐷𝐸𝐸𝑚𝑚

𝐷𝐷𝑐𝑐 = ρ𝜌𝜌ℎ𝑤𝑤

2 �𝑤𝑤2�1− �ℎ ℎ�

2

�+𝑀𝑀(ℎ − ℎ)�

Or : 𝑤𝑤 = �2ℎ𝑣𝑣ℎ(ℎ +ℎ)

𝐷𝐷𝐸𝐸𝑚𝑚

𝐷𝐷𝑐𝑐 =ρ𝜌𝜌ℎ𝑤𝑤 2 �𝑀𝑀ℎ

2ℎ(ℎ +ℎ)�1− �ℎ ℎ�

2

�+𝑀𝑀(ℎ − ℎ)�

𝐷𝐷𝐸𝐸𝑚𝑚

𝐷𝐷𝑐𝑐 = ρ𝑀𝑀𝜌𝜌ℎ𝑤𝑤

2 � 1

2ℎℎ(ℎ +ℎ)(ℎ2− ℎ′2) + (ℎ − ℎ)�

𝐷𝐷𝐸𝐸𝑚𝑚

𝐷𝐷𝑐𝑐 = ρ𝑀𝑀𝜌𝜌ℎ𝑤𝑤

2 (ℎ − ℎ)� 1

2ℎℎ(ℎ +ℎ)2−1�

𝐷𝐷𝐸𝐸𝑚𝑚

𝐷𝐷𝑐𝑐 =ρ𝑀𝑀𝜌𝜌ℎ𝑤𝑤

4ℎℎ′ (ℎ − ℎ)((ℎ+ℎ)2 −2ℎℎ)

𝐷𝐷𝐸𝐸𝑚𝑚

𝐷𝐷𝑐𝑐 = ρ𝑀𝑀𝜌𝜌ℎ𝑤𝑤

2 (ℎ − ℎ) (ℎ′2 +ℎ2) 2ℎℎ b) Or : 𝑃𝑃𝑝𝑝 =𝐹𝐹�����⃗𝑠𝑠1. (𝑆𝑆⃗ +𝑤𝑤��⃗) +𝐹𝐹�����⃗𝑆𝑆2.𝑤𝑤��⃗ +𝐹𝐹������������⃗𝑣𝑣𝑣𝑣𝑣𝑣𝑣𝑣𝑣𝑣.𝑤𝑤��⃗

𝑃𝑃𝑝𝑝 =�𝑝𝑝0𝜌𝜌ℎ+ρ𝑀𝑀𝜌𝜌ℎ2

2 �(𝑆𝑆 +𝑤𝑤)− 𝑤𝑤 �𝑝𝑝0𝜌𝜌ℎ′+ρ𝑀𝑀𝜌𝜌ℎ′2

2 �+ (𝑝𝑝0𝜌𝜌ℎ − 𝑝𝑝0𝜌𝜌ℎ)𝑤𝑤

⇔ 𝑃𝑃𝑝𝑝 = ρ𝑣𝑣𝑔𝑔ℎ2 2(𝑆𝑆 +𝑤𝑤)−ρ𝑣𝑣𝑔𝑔ℎ2 ′2𝑤𝑤 Or : ℎ(𝑆𝑆 +𝑤𝑤) = ℎ𝑤𝑤

𝑃𝑃𝑝𝑝 = ρ𝑀𝑀𝜌𝜌ℎ′𝑤𝑤

2 (ℎ − ℎ) c) Or : 𝐷𝐷𝐸𝐸𝐷𝐷𝐷𝐷𝑚𝑚 = 𝑃𝑃𝑖𝑖𝑖𝑖𝐷𝐷 +𝑃𝑃𝑝𝑝

𝑃𝑃𝑖𝑖𝑖𝑖𝐷𝐷 = ρ𝑀𝑀𝜌𝜌ℎ𝑤𝑤

2 (ℎ − ℎ) +ρ𝑀𝑀𝜌𝜌ℎ𝑤𝑤

2 (ℎ − ℎ) (ℎ′2+ℎ2) 2ℎℎ

𝑃𝑃𝑖𝑖𝑖𝑖𝐷𝐷 = ρ𝑀𝑀𝜌𝜌ℎ𝑤𝑤

2 (ℎ − ℎ)�−1 +ℎ′2 +ℎ2 2ℎℎ

𝑃𝑃𝑖𝑖𝑖𝑖𝐷𝐷 = ρ𝑀𝑀𝜌𝜌ℎ𝑤𝑤.(ℎ − ℎ)

4ℎℎ (ℎ′2 +ℎ2 − 2ℎℎ′)

𝑃𝑃𝑖𝑖𝑖𝑖𝐷𝐷 = ρ𝑀𝑀𝜌𝜌ℎ𝑤𝑤.(ℎ − ℎ)3 4ℎℎ < 0

d) Dans le cas du mascaret : 𝑤𝑤 = 9,5 𝑚𝑚𝑐𝑐−1 𝑐𝑐𝑐𝑐 𝑃𝑃𝑖𝑖𝑖𝑖𝐷𝐷 =−1,9 𝑀𝑀𝑘𝑘

(9)

B – Exercices supplémentaires MF45 - Division et déflexion de jets d'eau

1°)

a) Sur une ligne de courant 𝐴𝐴1𝐴𝐴2 : 𝑃𝑃0+12𝜇𝜇𝑆𝑆12 +𝜇𝜇𝑀𝑀𝑔𝑔 =𝑃𝑃0+12𝜇𝜇𝑆𝑆22 +𝜇𝜇𝑀𝑀𝑔𝑔 Sur une ligne de courant 𝐴𝐴𝐴𝐴1 : 12𝜇𝜇𝑆𝑆2+𝜇𝜇𝑀𝑀𝑔𝑔𝐴𝐴 = 12𝜇𝜇𝑆𝑆12+𝜇𝜇𝑀𝑀𝑔𝑔𝐴𝐴1

Si on néglige le terme de pesanteur, on a alors : 𝑆𝑆 = 𝑆𝑆1 = 𝑆𝑆2

b) Considérons le système ouvert S constitué par la plaque et le fluide. Effectuons un bilan de quantité de mouvement sur le système fermé S* :

𝐷𝐷𝑝𝑝⃗

𝐷𝐷𝑐𝑐 = 𝐷𝐷𝑚𝑚2𝑆𝑆����⃗2+𝐷𝐷𝑚𝑚1����⃗ − 𝐷𝐷𝑆𝑆1 𝑚𝑚𝑆𝑆⃗ ⇒ 1µ 𝐷𝐷𝑝𝑝⃗𝐷𝐷𝑐𝑐 =−𝑄𝑄𝑆𝑆⃗+𝑄𝑄2𝑆𝑆����⃗2+𝑄𝑄1𝑆𝑆����⃗1

𝐹𝐹����⃗0+𝐹𝐹�����������������⃗𝑝𝑝𝑝𝑝𝑣𝑣𝑠𝑠𝑠𝑠𝑝𝑝𝑝𝑝𝑖𝑖 =−𝑄𝑄𝑆𝑆⃗ +𝑄𝑄2𝑆𝑆����⃗2+𝑄𝑄1𝑆𝑆����⃗1

La pression étant égale à la pression atmosphérique en tout point de la frontière de S, la résultante des forces de pressions est nulle.

Donc sur Ox : −𝑄𝑄𝑆𝑆 𝑐𝑐𝑜𝑜𝑐𝑐θ+𝑄𝑄1𝑆𝑆1 − 𝑄𝑄2𝑆𝑆2 = 0 𝑄𝑄𝑐𝑐𝑜𝑜𝑐𝑐θ+𝑄𝑄2 − 𝑄𝑄1 = 0 Bilan de masse : 𝑄𝑄 =𝑄𝑄1 +𝑄𝑄2

Donc : 𝑄𝑄 𝑐𝑐𝑜𝑜𝑐𝑐θ+ (𝑄𝑄 − 𝑄𝑄1)− 𝑄𝑄1 = 0 𝑄𝑄(𝑐𝑐𝑜𝑜𝑐𝑐θ+ 1) = 2𝑄𝑄1

𝑄𝑄1 = 𝑄𝑄( 𝑐𝑐𝑜𝑜𝑐𝑐θ+ 1)

2 𝑐𝑐𝑐𝑐 𝑑𝑑𝑜𝑜𝑑𝑑𝑐𝑐 ∶ 𝑄𝑄2 = 𝑄𝑄(− 𝑐𝑐𝑜𝑜𝑐𝑐θ+ 1) Or : 𝑄𝑄𝑄𝑄1 2

2 = 3 ⇒ 𝑐𝑐𝑝𝑝𝑠𝑠θ+1

− 𝑐𝑐𝑝𝑝𝑠𝑠θ+1 = 3 ⇒ 𝑐𝑐𝑜𝑜𝑐𝑐θ+ 1 = 33𝑐𝑐𝑜𝑜𝑐𝑐θ⇒ 𝑐𝑐𝑜𝑜𝑐𝑐θ = 1

2 ⇒θ = 60°

Et : 𝑄𝑄 = 𝑆𝑆𝑆𝑆 = 60𝜌𝜌𝑐𝑐−1 𝑄𝑄1 = 45𝜌𝜌𝑐𝑐−1 𝑐𝑐𝑐𝑐 𝑄𝑄2 = 15𝜌𝜌𝑐𝑐−1 c) Sur Oz : 𝑄𝑄𝑆𝑆𝑐𝑐𝑄𝑄𝑑𝑑

θ

= 𝐹𝐹µ0

𝐹𝐹���⃗1 =−𝐹𝐹����⃗0 =−µ𝑆𝑆𝑆𝑆² 𝑐𝑐𝑄𝑄𝑑𝑑 θ 𝑢𝑢����⃗ 𝑜𝑜ù 𝐹𝐹𝑧𝑧 1 = 1560𝑁𝑁 2°) Déflexion du jet par une plaque courbe fixe

- Bilan de quantité de mouvement : 𝐷𝐷𝑝𝑝⃗𝐷𝐷𝐷𝐷 = 𝐷𝐷𝑚𝑚𝑠𝑠𝑆𝑆′���⃗ − 𝐷𝐷𝑚𝑚𝑣𝑣𝑆𝑆⃗

Or la pression est uniforme d’où : 𝐹𝐹����⃗µ2 = 𝑄𝑄𝑆𝑆′���⃗ − 𝑄𝑄𝑆𝑆⃗

Sur Ox : 𝐹𝐹2𝑥𝑥 = µ𝑆𝑆𝑆𝑆′2𝑐𝑐𝑜𝑜𝑐𝑐αµ𝑆𝑆𝑆𝑆2 = µ𝑆𝑆𝑆𝑆2(−1 +𝑐𝑐𝑜𝑜𝑐𝑐α) Sur Oz : 𝐹𝐹2𝑧𝑧 = µ𝑆𝑆𝑆𝑆′2𝑐𝑐𝑄𝑄𝑑𝑑α =µ𝑆𝑆𝑆𝑆²𝑐𝑐𝑄𝑄𝑑𝑑α

Donc :

𝐹𝐹2 = �µ𝑆𝑆𝑆𝑆2(22𝑐𝑐𝑜𝑜𝑐𝑐α) 𝑐𝑐𝑐𝑐 𝑐𝑐𝑡𝑡𝑑𝑑θ2 = sinα

−1 +𝑐𝑐𝑜𝑜𝑐𝑐α 𝑜𝑜ù θ2 𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐 𝑙𝑙𝑡𝑡𝑑𝑑𝑀𝑀𝑙𝑙𝑐𝑐 𝑐𝑐𝑑𝑑𝑐𝑐𝑜𝑜𝑐𝑐 𝑂𝑂𝑂𝑂 𝑐𝑐𝑐𝑐 𝐹𝐹����⃗2

𝐹𝐹2 = 3118 𝑁𝑁 𝑐𝑐𝑐𝑐 θ2 =−30°

(10)

MF46 - Rétrécissement d’une conduite

(11)

MF47 – Force subie par un réservoir

(12)
(13)
(14)
(15)

MF48 - Écoulement autour d’une aile d’avion

(16)

Références

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