• Aucun résultat trouvé

6-Le mouvement circulaire

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2022

Partager "6-Le mouvement circulaire"

Copied!
29
0
0

Texte intégral

(1)

Version 2022 6 – Le mouvement circulaire1

1.

a) La grandeur de la force centripète est

( )

2

²

200 34 33 7006

c

m s

F mv r

kg m N

=

= ⋅

= b) La grandeur de la force centripète est

( )

2

²

200 34 24 9633

c

m s

F mv r

kg m N

=

= ⋅

=

2.

Les forces agissant sur l’objet Dans le virage, il y a 3 forces sur la voiture.

1) La force de gravitation (mg) vers le bas.

2) Une normale (FN) vers le haut.

3) Une friction (Ff) vers le centre du cercle.

Somme des forces

Les sommes des forces sont

x f

y N

F F F mg F

=

= − +

La 2e loi de Newton

Puisque l’accélération centripète est dirigée vers les x positifs, on a

(2)

Version 2022 6 – Le mouvement circulaire 2

2

0

x x f

y y N

F ma F mv

r

F ma mg F

= → =

= → − + =

Solution des équations

L’équation des forces en x donne

2 f

F mv

= r et l’équation des forces en y donne FN = mg.

En utilisant ces valeurs dans

f s N

Fµ F On obtient

2

2

2 s

s

s

mv µ mg r

v µ g r

v µ

rg

La valeur minimale du coefficient de friction est donc

( )

2 min

33,33 2

100 9,8 1,134

s

m s

N kg

µ v

rg

m

=

= ⋅

=

3.

Forces agissant sur l’objet Il y a 3 forces sur le bloc.

1) Une force de gravitation de mg vers le bas.

2) Une normale FN vers le haut.

3) Une force de friction Ff vers le centre de la trajectoire circulaire.

(3)

Version 2022 6 – Le mouvement circulaire 3 Somme des forces

Les sommes des forces sont (avec un axe des x vers le centre de la trajectoire circulaire)

x f

y N

F F F mg F

=

= − +

2e loi de Newton

Puisque la force centripète est dirigée dans la direction de l’axe des x, on a

2 2

4 0

x x f

y y N

F ma F m r

T

F ma mg F

= → = π

= → − + =

Comme on ne cherche pas la vitesse, mais la période de rotation, on utilise la formule de la force centripète avec la période de rotation.

Solution des équations

L’équation des forces en x donne

2 2

4

f

F m r T

= π

et l’équation des forces en y donne FN = mg.

En utilisant ces valeurs dans

f s N

Fµ F On obtient

2 2 2 2

2

4 4 4

s

s

s

m r µ mg T

r µ g T

r T µ g π π π

≤ La période minimale est donc

(4)

Version 2022 6 – Le mouvement circulaire 4

2 min

2

4

4 0,1

0, 6 9,8 0,8194

s

N kg

T r

µ g m

s π π

=

= ⋅

=

4.

Point le plus bas de la trajectoire Forces agissant sur l’objet

Au point le plus bas de la trajectoire, il y a 2 forces sur la voiture.

1) Une force de gravitation de 9800 N vers le bas.

2) Une normale (FN) vers le haut.

Somme des forces

La somme des forces en y est donc (on utilise un axe des y vers le haut)

y 9800 N

F = − N+F

2e loi de Newton

Puisque la force centripète est dirigée dans la direction de l’axe des y, on a

2

y y 9800 N

F ma N F mv

= → − + = r

Solution des équations La normale est donc

(

12

)

2

9800 1000

5

9800 28 800

38 600

m s N

N N

N F kg

m

N F N

F N

− + = ⋅

− + =

= Point le plus haut de la trajectoire Forces agissant sur l’objet

(5)

Version 2022 6 – Le mouvement circulaire 5 Au point le plus haut de la trajectoire, il y a 2 forces sur la voiture.

1) Une force de gravitation de 9800 N vers le bas.

2) Une normale (FN) vers le bas.

Somme des forces

L’équation des forces en y est donc (on utilise un axe des y vers le haut)

y 9800 N

F = − NF

2e loi de Newton

Puisque la force centripète est dirigée dans la direction opposée à l’axe des y, on a

2

y y 9800 N

F ma N F mv

= → − − = − r

Solution des équations La normale est donc

(

12

)

2

9800 1000

5

9800 28 800

19 000

m s N

N N

N F kg

m

N F N

F N

− − = − ⋅

− − = −

=

5.

Si la voiture reste en contact avec la piste, c’est qu’il y a une normale. On va donc chercher la condition pour qu’il y ait une normale en examinant les forces qui agissent sur l’objet.

Forces agissant sur l’objet

Au point le plus haut de la trajectoire, il y a 2 forces sur la voiture.

1) Une force de gravitation (mg) vers le bas.

2) Une normale (FN) vers le bas.

Somme des forces

L’équation des forces en y est donc (on utilise un axe des y vers le haut)

(6)

Version 2022 6 – Le mouvement circulaire 6

y N

F = −mgF

2e loi de Newton

Puisque la force centripète est dirigée dans la direction opposée à l’axe des y, on a

2

y y N

F ma mg F mv

= → − − = − r

Solution des équations La normale est donc

2

2 N

N

mg F mv r F mv mg

r

− − = −

= −

Si on veut que la voiture soit en contact avec la piste, la normale doit être positive.

On doit donc avoir

2

2

2

v 0

m mg

r

mv mg r

v g

r v rg

− ≥

≥ La vitesse minimale est donc

min

5 9,8 7

N kg m

s

v rg

m

=

= ⋅

=

(7)

Version 2022 6 – Le mouvement circulaire 7

6.

Forces agissant sur l’objet Il y a 2 forces sur la voiture.

1) Une force de gravitation de mg vers le bas.

2) La normale FN

perpendiculaire à la route.

Somme des forces

Les sommes des forces sont alors (on utilise un axe des x vers la droite) cos 70

sin 70

x N

y N

F F

F mg F

= °

= − + °

2e loi de Newton

Puisque la force centripète est dans la direction de l’axe des x, on a

2

cos 70

sin 70 0

x x N

y y N

F ma F mv

r

F ma mg F

= → ° =

= → − + ° =

Solution des équations

L’équation des forces en y nous permet de trouver la normale.

sin 70 0 sin 70

N

N

mg F F mg

− + ° =

= °

Notre équation des forces en x devient alors

2

2

2

cos 70 cos 70 sin 70

cos 70 sin 70

N

F mv

r

mg v

m r

g v

r

° =

° ° =

° =

°

(8)

Version 2022 6 – Le mouvement circulaire 8 cos 70

sin 70 tan 70 80 9,8

tan 70 16,89

N kg

m s

v rg v rg v m

v

= °

°

= °

= ⋅

°

=

7.

Forces agissant sur l’objet Il y a 3 forces sur la voiture.

1) Une force de gravitation de mg vers le bas.

2) La normale (FN) perpendiculaire à la route.

3) Une force de friction (Ff) parallèle à la surface.

En fait, on ne sait pas la direction de la force de friction. Elle peut être vers le haut de la pente ou vers le bas de la pente. On va supposer la direction montrée sur la figure. Si notre réponse est positive, cette direction est la bonne. Si notre réponse est négative, cette direction n’est pas la bonne et la friction serait plutôt vers le haut de la pente.

Somme des forces

Les sommes des forces sont alors (on utilise un axe des x vers la droite)

( )

cos 60 cos( 30 ) sin 60 sin 30

x N f

y N f

F F F

F mg F F

= ° + − °

= − + ° + − °

2e loi de Newton

Puisque la force centripète est dans la direction de l’axe des x, on a

( )

2

cos 60 cos( 30 )

sin 60 sin 30 0

x x N f

y y N f

F ma F F mv

r

F ma mg F F

= → ° + − ° =

= → − + ° + − ° =

(9)

Version 2022 6 – Le mouvement circulaire 9 Solution des équations

L’équation des forces en y nous permet de trouver la normale

( )

( )

sin 60 sin 30 0

sin 60 sin 30

sin 60 sin 30 sin 30 sin 60

N f

N f

N f

f N

mg F F

F mg F

F mg F

mg F F

− + ° + − ° =

° = − − °

° = + °

+ °

= °

Notre équation des forces en x devient alors

2

2

cos 60 cos30 sin 30

cos 60 cos30 sin 60

N f

f

f

F F mv

r

mg F v

F m

r

° + ° =

+ °

° + ° =

° Si on isole la force de friction, on a

( )

2

2

2

2

2

sin 30

cos 60 cos 30 sin 60

sin 30

cos 60 cos 60 cos 30

sin 60 sin 60

sin 30

cos 60 cos 30 cos 60

sin 60 sin 60

sin 30

cos 60 cos 30 cos 60

sin 60 sin 60

1,1547

f

f

f

f

f

f

f

f

mg F v

F m

r

mg F v

F m

r

F v mg

F m

r

v mg

F m

r

F mv

+ °

° + ° =

°

° + ° ° + ° =

° °

° ° + ° = − °

° °

 ° 

° + ° = − °

 

° °

 

= cos 60

sin 60 mg

r − °

° a) Si la vitesse est de 100 m/s, on a

( )

( ) ( )

( )

2

2

1,1547 cos 60

sin 60

1200 9,8

1,1547 1200 100 cos 60

80 sin 60

1,1547 143 210 124 023

f

N m

kg s

f

f f

v mg

F m

r

F kg kg

m

F N

F N

= − °

°

= ⋅ − ⋅ °

°

=

=

(10)

Version 2022 6 – Le mouvement circulaire 10 La force est donc vers le bas de la pente (puisqu’elle est positive).

b) Si la vitesse est de 10 m/s, on a

( )

( ) ( )

( )

2

2

1,1547 cos 60

sin 60

1200 9,8

1,1547 1200 10 cos 60

80 sin 60

1,1547 5290 4581

f

N m

kg s

f

f f

v mg

F m

r

F kg kg

m

F N

F N

= − °

°

= ⋅ − ⋅ °

°

= −

= −

La force est donc vers le haut de la pente (puisqu’elle est négative)

8.

Forces agissant sur l’objet Il y a 3 forces sur la voiture.

1) Une force de gravitation (mg) vers le bas.

2) Une force normale (FN) vers la droite.

3) Une force de friction (Ff) vers le haut.

Somme des forces

Les sommes des forces sont

x N

y f

F F

F mg F

=

= − +

2e loi de Newton

Puisque la force centripète est dans la direction de l’axe des x, on a

2

0

x x N

y y f

F ma F mv

r

F ma mg F

= → =

= → − + =

(Il n’y a pas d’accélération en y si la voiture ne glisse pas.) Solution des équations

(11)

Version 2022 6 – Le mouvement circulaire 11 L’équation des forces en y donne Ff =mg

et l’équation des forces en x donne

2 N

F mv

= r . En utilisant ces valeurs dans

f s N

Fµ F On obtient

2

2 s

s

s

mg µ mv r g µ v

r rg v µ

≤ La vitesse minimale est donc de

min

5 9,8 0,8 7,826 28, 2

N kg

m km

s h

v m

=

= =

La normale est alors

( )

2

7,826 2

1200 5

14700

N

m s

F mv r

kg m

N

=

= ⋅

=

9.

Forces agissant sur l’objet Il y a 2 forces sur la personne.

1) Une force de gravitation de mg vers le bas.

2) Une tension (FT) à 25°.

Sommes des forces

(12)

Version 2022 6 – Le mouvement circulaire 12 Les sommes des forces sont (avec un axe des x vers le centre du mouvement circulaire)

cos 25 sin 25

x T

y T

F F

F mg F

= °

= + °

2e loi de Newton

Puisque la force centripète est dans la direction de l’axe des x, on a

2

cos 25 4 ²

sin 25 0

x x T

y y T

F ma F m r

T

F ma mg F

= → ° = π

= → + ° =

Comme on ne cherche pas la vitesse, mais la période de rotation, on utilise la formule de la force centripète avec la période de rotation.

Solution des équations

L’équation des forces en y nous permet de trouver la tension.

sin 25 0 sin 25 60 9,8

sin 25 1391,3

T

T

N kg T

T

mg F F mg

F kg

F N

+ ° =

= °

= ⋅

°

= L’équation des forces en x devient alors

2

2

cos 25 4 ² 1391,3 cos 25 4 ²

T

F m r

T

N m r

T π

π

° =

⋅ ° =

Le rayon de la trajectoire est

sin 65 12

12 sin 65 r

m

r m

= °

= ⋅ °

(13)

Version 2022 6 – Le mouvement circulaire 13 On a donc

2

4 ² 12 sin 65 1391,3 cos 25 60

4,52

N kg m

T

T s

π ⋅ ⋅ °

⋅ ° = ⋅

=

10.

Forces agissant sur l’objet Il y a 3 forces sur l’objet de 2 kg.

1) Une force de gravitation de 19,6 N vers le bas.

2) La tension T1 à 30°.

3) La tension T2 à -30°.

(Nous avons des angles de 30° parce que les cordes et le poteau vertical forment un triangle équilatéral, dont les angles à chaque sommet sont de 60°.)

Sommes des forces

Les sommes des forces sont donc

( )

( )

1 2

1 2

cos 30 cos 30

19, 6 sin 30 sin 30

x y

F T T

F N T T

= ° + − °

= − + ° + − °

2e loi de Newton

Puisque la force centripète est dans la direction de l’axe des x, on a

( )

( )

2

1 2 2

1 2

cos30 cos 30 4

19,6 sin 30 sin 30 0

x x

y y

F ma T T m r

T

F ma N T T

= → ° + − ° = π

= → − + ° + − ° =

Comme on ne sait pas la vitesse, mais qu’on sait la période de rotation (1 s), on utilise la formule de la force centripète avec la période de rotation.

Solution des équations

Isolons T1 dans l’équation des forces en y

(14)

Version 2022 6 – Le mouvement circulaire 14

( )

( )

1 2

2 1

2 1

1 2

1 2

19, 6 sin 30 sin 30 0

19, 6 sin 30

sin 30 19, 6 sin 30

sin 30 19, 6 sin 30 39, 2

N T T

N T T

N T T

T N T

T N T

− + ° + − ° =

− − °

= °

+ °

= °

= +

°

= +

Puis remplaçons dans l’équation des forces en x.

( )

2

1 2 2

2

1 2 2

2

2 2 2

2

2 2

cos 30 cos 30 4 4

cos 30 39, 2 4

cos 30 39, 2 2 4

cos 30

T T m r

T T T m r

T N T T m r

T N T m r

T

π π

π π

° + ° =

+ =

°

+ + =

°

+ =

°

2

2 2

2

2 2

2 4 39, 2

cos30

2 19,6

cos30

T m r N

T

T m r N

T π π

= −

°

= −

°

Le rayon de la trajectoire (ligne pointillée sur la figure) est cos30

1,7

1, 7 cos30 r

m

r m

= °

= ⋅ °

On a donc

2

2 2

2

2 2

2

2 2

2 19,6

cos 30 2 1,7 cos 30

cos 30 19,6 2 1,7

19,6

T m r N

T

T m m N

T

T m m N

T π π

π

= −

°

⋅ ⋅ °

= −

°

= ⋅ −

(15)

Version 2022 6 – Le mouvement circulaire 15

( )

2

2 2

2

2 1, 7

2 19, 6

1 47,51

T kg m N

s

T N

π ⋅

= ⋅ −

= Ainsi, la tension T1 est

1 2

1

39, 2 86,71

T N T

T N

= +

=

11.

Forces agissant sur l’objet Il y a 2 forces sur le petit bloc.

1) La gravitation (mg) vers le bas.

2) La normale (FN) à 30°.

Sommes des forces

Les sommes des forces sont donc

cos 30 sin 30

x N

y N

F F

F mg F

= °

= − + °

2e loi de Newton

Puisque la force centripète est dans la direction de l’axe des x, on a

2 2

cos30 4

sin 30 0

x x N

y y N

F ma F m r

T

F ma mg F

= → ° = π

= → − + ° =

Solution des équations

De l’équation des forces en y, on trouve,

sin 30

N

F = mg

°

En utilisant cette valeur dans l’équation des forces en x, on obtient

(16)

Version 2022 6 – Le mouvement circulaire 16

2 2

cos30 4 sin 30

mg r

m T

° = π

° Il ne reste qu’à isoler r.

2 2 2 2

cos30 4 sin 30

4 tan 30

g r

T r gT

π

π

° ° =

= °

Avec les valeurs, on obtient

( )

2

2

9,8 0,5 4 tan 30 0,1075

N

kg s

r

m π

= ⋅

°

=

La valeur de x, qui est le rayon de la trajectoire circulaire est donc 10,75 cm

12.

a) Trouvons premièrement l’accélération tangentielle. On la trouve avec

2

1,5 3

0,5

t t

t m

t s

F ma N kg a a

=

= ⋅

=

Pour trouver l’accélération centripète, il nous faut la vitesse de l’objet. Cette vitesse est

0

0 0,5 ² 2 1

t

m m

s s

m s

v v a t

s

= +

= + ⋅

= L’accélération centripète est donc

( )

2

2

²

1 1, 2 0,8333

c m s

m s

a v r

m

=

=

=

(17)

Version 2022 6 – Le mouvement circulaire 17 L’accélération totale est donc de

( ) ( )

2 2

2 2

² ²

²

0,8333 0,5

0,9718

c t

m m

s s

m s

a= a +a

= +

=

b) Le tube est la seule chose qui fait la force centripète. Sa tension doit donc être égale à la force centripète. Cette force est

3 0,8333 ²

2,5

c

m s

T ma kg

N

=

= ⋅

=

13.

a) L’accélération centripète est

( )

2

2

²

10 5 20

c

m s

m s

a v r

m

=

=

=

b) Les forces agissant sur l’objet Il y a 2 forces sur Gontran.

1) Une force de gravitation de 637 N vers le bas.

2) La tension de la corde (T) Somme des forces

Les équations des forces sont donc

( )

( )

cos 130 sin 130

x y

F mg

F T mg

= − °

= + − °

2e loi de Newton

Puisque la force centripète est dans la direction de l’axe des y, on a

(18)

Version 2022 6 – Le mouvement circulaire 18

( )

( )

2

cos 130 sin 130

x x t

y y

F ma mg ma

F ma T mg mv

r

= → − ° =

= → + − ° =

Solution des équations

Avec l’équation des forces en x, on a

( )

( )

²

cos 130 cos 130

6, 299

t t

m

t s

mg ma

a g

a

− ° =

= − °

= − c) L’accélération est donc

( ) ( )

2 2

2 2

² ²

²

20 6, 299

20,969

c t

m m

s s

m s

a= a +a

= +

=

d) On trouve la tension avec l’équation des forces en y

( )

( )

( )

2

2

2

2

sin 130

sin 130 sin130

65 10 65 9,8 sin130

5

1300 488

1788

m

s N

kg

T mg mv

r T mv mg

r

T mv mg r

T kg kg

m

T N N

T N

+ − ° =

= − − °

= + °

= ⋅ + ⋅ ⋅ °

= +

=

14.

Le champ est

(19)

Version 2022 6 – Le mouvement circulaire 19

( )

2

11 ² 24

² 6 2

6,674 10 5,972 10 7,371 10

7,336

Nm kg

N kg

g GM r

kg m

=

× ⋅ ×

=

×

=

15.

a) Le champ est

( )

2

11 ² 23

² 6 2

6,674 10 6, 4185 10 3,386 10

3,736

Nm kg

N kg

g GM r

kg m

=

× ⋅ ×

=

×

= b) Le poids de la personne est

70 3,736 261,5

N kg

P mg kg

N

=

= ⋅

=

c) Comme le poids de cette personne sur Terre est de 70 kg ∙ 9,8 N/kg = 686 N, le rapport entre le poids sur la Mars et le poids sur Terre est

261,5

0,381 686

N N =

Le poids sur Mars est donc seulement 38,1 % du poids de la personne sur Terre.

16.

On a la configuration suivante.

En additionnant les champs, on a

(20)

Version 2022 6 – Le mouvement circulaire 20

( )

2

2 3,844 108

Terre Lune

GM GM

g x m x

= − +

× −

Puisqu’on veut que le champ soit nul, on doit avoir

( )

( )

( )

( )

( )

( )

2

2 8

2

2 8

2

2 8

8 2 2

2 22

8 2

24

8 2 2

17 2

0 3,844 10

3,844 10

3,844 10 3,844 10

7,34 10 3,844 10

5,972 10

3,844 10 0, 01229

1, 4776 10 7, 688 1

Terre Lune

Terre Lune

Terre Lune

Lune Terre

GM GM

x m x

GM GM

x m x

M M

x m x

m x M x

M

m x kg x

kg

m x x

m

= − +

× −

=

× −

=

× −

× − =

× − = × ⋅

×

× − = ⋅

× − × 8 2 2

17 2 8 2

0 0, 01229

1, 4776 10 7, 688 10 0,9877 0

m x x x

m m x x

⋅ + = ⋅

× − × ⋅ + ⋅ =

La solution de cette équation quadratique est x = 346 037 km Le champ est donc nul à 346 037 km de la Terre.

(Il y a une autre solution à 432 330 km de la Terre. À cet endroit, les champs sont de mêmes grandeurs, mais le champ total n’est pas nul, car les champs sont dans la même direction.)

17.

On va utiliser un axe des x vers la droite et un axe des y vers le haut. Le champ fait par la Lune est vers la gauche, donc vers les x négatifs. Le champ fait par la Lune est

(21)

Version 2022 6 – Le mouvement circulaire 21

( )

2

11 ² 22

² 8 2

4

6, 674 10 7,34 10 1,5 10

2,177 10

Lx

Nm kg

N kg

g GM r

kg m

= −

× ⋅ ×

= −

×

= − ×

Pour trouver la grandeur du champ fait par la Terre, il faut savoir la distance entre la Terre et l’endroit où on veut connaitre le champ. Cette distance est

(

8

) (

2 8

)

2

8

3,844 10 1,5 10 4,126 10

r m m

m

= × + ×

= ×

La grandeur du champ fait par la Terre est donc

( )

2

11 ² 24

² 8 3

6,674 10 5,972 10 4,126 10

2,341 10

T

Nm kg

N kg

g GM r

kg m

=

× ⋅ ×

= ×

= ×

Pour séparer ce champ en composante, on doit connaitre l’angle θ. On trouve premièrement l’angle φ.

384 400 tan 150 000

68,68 φ

φ

=

= °

L’angle θ est donc

180

180 68,68 111,32 θ = ° −φ

= − °

= °

Les composantes du champ de la Terre sont donc

(22)

Version 2022 6 – Le mouvement circulaire 22

( )

( )

3 4

3 3

2,341 10 cos 111,32 8,510 10

2,341 10 sin 111,32 2,181 10

N

Tx kg

N kg

N

Ty kg

N kg

g

g

= × ⋅ − °

= − ×

= × ⋅ − °

= − ×

Les composantes du champ total sont donc

4 4

3

3 3

2,177 10 8,510 10

1, 069 10

0 2,181 10 2,181 10

x Lx Tx

N N

kg kg

N kg

y Ly Ty

N kg N kg

g g g

g g g

= +

= − × + − ×

= − ×

= +

= + − ×

= − ×

La grandeur du champ est donc

( ) ( )

2 2

2 2

3 3

3

1, 069 10 2,181 10

2, 429 10

x y

N N

kg kg

N kg

g g g

= +

= × + ×

= ×

18.

On a

( )

3

8 3

11 ²

² 24

2

3,844 10 27,32 24 60 60 2

6,674 10 6,03 10

c

Nm

Terre kg

Terre

T r

GM s m

M

M kg

π

π

=

⋅ ⋅ ⋅ = ×

× ⋅

= ×

19.

a) Avec ce qu’on sait avec Io, on peut trouver la masse de Jupiter.

(23)

Version 2022 6 – Le mouvement circulaire 23

( )

3

8 3

11 ²

² 27

2

4, 217 10 1,796 24 60 60 2

6,674 10 1,8422 10

c

Nm

Jupiter kg

Jupiter

T r

GM s m

M

M kg

π

π

=

⋅ ⋅ ⋅ = ×

× ⋅

= ×

On utilise alors cette information pour trouver la période de Ganymède.

( )

3

9 3

11 ² 27

²

2

1,0704 10

2 6,674 10 1,8422 10 627 529 7, 263

c

Nm kg

T r

GM

m

kg

s j

π

π

=

= ×

× ⋅ ×

= =

b) La vitesse de Ganymède est

11 ² 27

² 9

6,674 10 1,8422 10 1,0704 10

10 717 10,717

c

Nm kg

m km

s s

v GM r

kg m

=

× ⋅ ×

= ×

= =

20.

La période de rotation est

( )

3

6 3

11 ² 22

²

2

1,837 10

2 6, 674 10 7,35 10

7063 1,962

c

Nm kg

T r

GM

m

kg

s h

π

π

=

= ×

× ⋅ ×

= =

21.

On trouve la distance avec

(24)

Version 2022 6 – Le mouvement circulaire 24

3

3

11 ² 24

² 7

2 2 24 60 60 2

6,674 10 5,97 10 6,7044 10 67 044

c

Nm kg

T r

GM s r

kg

r m km

π

π

=

⋅ ⋅ ⋅ =

× ⋅ ×

= × =

Ceci est la distance à partir du centre de la Terre. La distance à partir de la surface est donc

67 044 6378 60 666 dist= kmkm= km

22.

Prenons un petit morceau de la corde et examinons les forces sur ce morceau.

(L’angle θ est petit sur la figure.) Forces agissant sur l’objet

Somme des forces

La somme des forces en y est (avec un axe des y vers le haut)

sin sin 180

2 2

y T T

F F  θ  F  θ 

= − +  ° + 

   

2e loi de Newton

Puisque ce morceau fait un mouvement circulaire et que la force centripète est dirigée dans la direction opposée à l’axe des y, on a

2 2

sin sin 180 4

2 2

y y T T

F ma F F m r

T

θ θ π

   

= → − +  ° + = −

   

Solution des équations

(25)

Version 2022 6 – Le mouvement circulaire 25 Puisque sin -x = -sin x et sin (180°+x) = -sin x, on a

2 2 2 2

sin sin 4

2 2

2 sin 4 2

T T

T

F F m r

T

F m r

T

θ θ π

θ π

   

−  −  = −

   

 =

  

Puisque l’angle est petit, on a sin x = x. (Cela signifie qu’on travaille maintenant avec des angles en radians.)

2 2 2 2

2 4 2

4

T

T

F m r T F m r

T

θ π

θ π

=

=

La masse du petit morceau dépend de l’angle. La proportion de la masse de la corde dans le petit morceau est la même que celle de l’angle par rapport à 2π radians.

6 2

2 6 m

kg

m kg

θ π θ

π

=

= L’équation des forces devient alors

2 2

2 2

2

4 6 4 2

6 2

T

T

T

F m r T F kg r

T F kg r

T θ π

θ π

θ π

π

=

= ⋅ ⋅

= ⋅

Avec les valeurs, on obtient

( )

2

2 0,5 6 0, 25 301,6

T

F kg m

s N

π⋅

= ⋅

=

(26)

Version 2022 6 – Le mouvement circulaire 26

23.

Pour trouver la compression de ressort, examinons les forces faites par le ressort sur les attaches des tiges. On pourra alors connaitre la force faite par le ressort et, ainsi, sa compression.

Attaches au bout des ressorts

Forces agissant sur l’objet

La figure nous montre les forces.

Somme des forces

La somme des forces en y est (avec un axe des y vers le haut)

( ) ( )

sin sin

y T T R

F =F −θ +F −θ +F

2e loi de Newton

Puisque ce morceau est à l’équilibre, on a

( ) ( )

sin sin 0

y y T T R

F =maF −θ +F −θ +F =

Pour trouver la force du ressort, il nous faut la force de tension. Pour la trouver, examinons les forces sur les masses qui se trouvent à l’autre bout de ces tiges.

Les masses

Forces agissant sur l’objet On voit les forces sur la figure.

Somme des forces

La somme des forces en x est (avec un axe des x vers la gauche)

cos cos

x T T

F =F θ +F θ

(27)

Version 2022 6 – Le mouvement circulaire 27 2e loi de Newton

Puisque la force centripète est dirigée dans la direction de l’axe des x, on a

2 2

cos cos 4

x x T T

F ma F F m r

T

θ θ π

= → + =

Solutions des équations

Notre équation des forces sur les masses donne

2 2 2 2 2 2

cos cos 4 2 cos 4

2 cos

T T

T

T

F F m r

T

F m r

T m r

F T

θ θ π

θ π π

θ

+ =

=

=

On peut alors utiliser cette valeur dans l’équation des forces sur les attaches.

( ) ( )

2 2

2 2

sin sin 0

2 sin 0

2 2 sin 0

cos

4 sin

cos

T T R

T R

R

R

F F F

F F

m r T F

m r

F T

θ θ

θ

π θ

θ

π θ

θ

− + − + =

− + =

− + =

=

Reste maintenant à faire le lien entre quelques variables.

On a premièrement

(28)

Version 2022 6 – Le mouvement circulaire 28 cos

D θ =r Ainsi,

2 2

2 2

4 sin

cos

4 sin

R

m r F T

m D T

π θ

θ

π θ

=

= Puis on a

sin 2

D θ = L Ainsi,

2 2

2 2

4 sin

2

R

m D

F T

m L T

π θ

π

=

= Puisque la force du ressort est

(

0

)

FR =k xL

où est la longueur du ressort ni étiré ni comprimé, on a

( )

2

0 2

2m L

k x L

T

− = π Il ne reste qu’à isoler L dans cette formule.

2 2

2

0 2

2

0 2

0 2

2 2

1 kTm m L kx kL

T

kx m k L

T L x

π

π π

− =

 

= + 

 

= + Avec les chiffres, la longueur est

(29)

Version 2022 6 – Le mouvement circulaire 29

( )

2 2

2 2

0 2

2 1 2000 0,1

1 80 1 40, 263

N m

m kT

kg s

L x

cm

cm

π

π

= +

= +

=

Références

Documents relatifs

2- Mesurer la tension aux bornes du fil de connexion lorsque l’interrupteur est ouvert puis lorsque l’interrupteur est fermé?.

Expliquer pourquoi à la date t=0s, la tensions aux bornes de chaque microphone est nulle1. Déterminer précisément la durée Δt de la propagation du son entre les microphones 1

b) Si on

Première STG Exercices sur le chapitre 3 : E1

L’objectif de cette activité sera de déterminer la relation entre la puissance électrique nominale d'un appareil électrique domestique, sa tension efficace

Contrôler graphiquement à la calculatrice que la courbe semble avoir une tangente horizontale en son point

Deuxième partie : On réalise le montage qui correspond au schéma électrique suivant : Attention, le branchement à la source de courant électrique ne se fait qu’à la dernière

Première partie : On réalise le montage qui correspond au schéma électrique suivant : Attention, le branchement à la source de courant électrique ne se fait qu’à la dernière