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annéescolaire2018-2019 Mécanique Référentielsnongaliléens

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(1)

Référentiels non galiléens

Mécanique

Saint Louis PC*1

année scolaire 2018-2019

(2)

Introduction Référentiel en translation par rapport à un référentiel galiléen Référentiel en rotation par rapport à un référentiel galiléen

Eets des forces d'inertie dans le référentiel terrestre Exercice

Problématique Plan

Comment créer une gravité articielle dans un vaisseau spatial ?

Mécanique Référentiels non galiléens

(3)

1) passer à un référentiel en translation accélérée

(4)

Introduction Référentiel en translation par rapport à un référentiel galiléen Référentiel en rotation par rapport à un référentiel galiléen

Eets des forces d'inertie dans le référentiel terrestre Exercice

Problématique Plan

2) passer à un référentiel en rotation uniforme

Mécanique Référentiels non galiléens

(5)

3) étudier les eets propres au référentiel terrestre

(6)

Introduction Référentiel en translation par rapport à un référentiel galiléen Référentiel en rotation par rapport à un référentiel galiléen

Eets des forces d'inertie dans le référentiel terrestre Exercice

Lois de composition des vitesses et des accélérations Force d'inertie d'entraînement

Exemples de translations

Référentiel galiléen

un référentiel galiléen est un référentiel dans lequel le principe d'inertie s'applique : un objet isolé (c'est à dire ne subissant aucune force) suit un mouvement rectiligne uniforme.

Dans un référentiel galiléenR, le principe fondamental de la dynamique s'applique :

m~a/R(M) =X

~f→M

Mécanique Référentiels non galiléens

(7)

Exemples de référentiels

Le référentiel de Copernic : dans lequel le centre du système solaire et trois étoiles lointaines sont xes

Galiléen avec une excellente approximation.

Le référentiel héliocentrique a pour point xe le centre du Soleil.

Galiléen avec une excellente approximation.

Le référentiel géocentrique : dans lequel le centre de la Terre et trois étoiles lointaines sont xes.

Il est en translation elliptique par rapport au référentiel de Copernic.

Galiléen pour des expériences de durées courtes devant 1 an.

Le référentiel terrestre : lié à la Terre.

Il est en rotation uniforme autour d'un axe xe du référentiel géocentrique.

Galiléen pour des expériences de durées courtes devant 24 h.

(8)

Introduction Référentiel en translation par rapport à un référentiel galiléen Référentiel en rotation par rapport à un référentiel galiléen

Eets des forces d'inertie dans le référentiel terrestre Exercice

Lois de composition des vitesses et des accélérations Force d'inertie d'entraînement

Exemples de translations

Deux référentiels en translation

• R est le référentiel galiléen muni d'un repère(O, ~ux, ~uy, ~uz)et d'une horloge ;

• R0 est un autre référentiel muni d'un repère O0, ~ux0, ~uy0, ~uz0

et d'une autre horloge.

Mécanique Référentiels non galiléens

(9)

Position du problème

Si l'on néglige les eets relativistes, le temps s'écoule de la même façon dans les deux référentiels.

D'autre part, on suppose queR0 est en translation par rapport àR. Aussi, on peut choisir

~ ux0 =u~x

~ uy0 =u~y

~uz0 =u~z

Un point matériel enM est repéré par

• −−→

OM(t) =x(t) ~ux +y(t) u~y+z(t) u~z dansR;

• et−−→

O0M(t) =x0(t) ~ux +y0(t) ~uy +z0(t) ~uz dansR0.

(10)

Introduction Référentiel en translation par rapport à un référentiel galiléen Référentiel en rotation par rapport à un référentiel galiléen

Eets des forces d'inertie dans le référentiel terrestre Exercice

Lois de composition des vitesses et des accélérations Force d'inertie d'entraînement

Exemples de translations

Loi de composition des vitesses pour deux référentiels en translation La vitesse du point matériel enMest

~v/R(M) = d

OM(t) dt

/R

= ˙x(t)~ux+ ˙y(t)~uy+ ˙z(t)~uz dansR;

et~v/R0(M) = d

O0M(t)

dt

!

/R0

= ˙x0(t)~ux+ ˙y0(t)~uy+ ˙z0(t)~uz dansR0. Aussi,

~ v/R(M) =

d

OO0(t) dt

/R

+

d−−→

O0M(t) dt

/R

~v/R(M) =~v/R(O0) + d x0(t)~ux+y0(t)~uy+z0(t)~uz dt

!

/R

~v/R(M) =~v/R(O0) +

x˙0(t)~ux+ ˙y0(t)~uy+ ˙z0(t)~uz

Mécanique Référentiels non galiléens

(11)

Loi de composition des vitesses pour deux référentiels en translation

La vitesse~v/R(M) du point M dans le référentiel R est reliée à la vitesse ~v/R0(M)du point M dans le référentielR0 par

~

v/R(M) =~v/R0(M) +~ve

où ~ve est la vitesse d'entraînement du référentielR0 par rapport à R.

~ve est la vitesse, dansR, du point coïncidentP, qui se trouve au même endroit queM mais qui est xe dansR0.

(12)

Introduction Référentiel en translation par rapport à un référentiel galiléen Référentiel en rotation par rapport à un référentiel galiléen

Eets des forces d'inertie dans le référentiel terrestre Exercice

Lois de composition des vitesses et des accélérations Force d'inertie d'entraînement

Exemples de translations

Exemple de point coïncident

si un train (assimilé au référentielR0 se déplace par rapport au sol (le référentielR) et qu'on y lance une balle (le point matérielM), la trace laissée sur le sol à l'instantt est le point coïncidentP.

Mécanique Référentiels non galiléens

(13)

Attention !

Le point coïncident change : à un instantt0 ultérieur, le pointP est diérent du pointM. On peut alors dénir un nouveau point coïncidentP0.

(14)

Introduction Référentiel en translation par rapport à un référentiel galiléen Référentiel en rotation par rapport à un référentiel galiléen

Eets des forces d'inertie dans le référentiel terrestre Exercice

Lois de composition des vitesses et des accélérations Force d'inertie d'entraînement

Exemples de translations

Loi de composition des accélérations pour deux référentiels en translation L'accélération du point matériel enMest

~a/R(M) = d~v

/R(M)(t) dt

/R

= ¨x(t)~ux+ ¨y(t)~uy+ ¨z(t)~uz dansR;

et~a/R0(M) = d~v

/R0(M) dt

/R0= ¨x0(t)~ux+ ¨y0(t)~uy+ ¨z0(t)~uzdansR0. Or~v/R(M) =~v/R0(M) +~ve

~a/R(M) = d~v/R0(M) dt

!

/R +

d~ve dt

/R

~a/R(M) =

d

x˙0(t)~ux+ ˙y0(t)~uy+ ˙z0(t)~uz dt

/R

+~ae

~a/R(M) =

x¨0(t)~ux+ ¨y0(t)~uy+ ¨z0(t)~uz

+~ae

Mécanique Référentiels non galiléens

(15)

Loi de composition des accélérations pour deux référentiels en translation

L'accélération ~a/R(M) du pointM dans le référentiel R est reliée à l'accélération~a/R0(M)du point M dans le référentiel R0 par

~

a/R(M) =~a/R0(M) +~ae

où ~ae est l'accélération d'entraînement du référentiel R0 par rapport à R.

~ae est l'accélération, dans R, du point coïncidentP, qui se trouve au même endroit queM mais qui est xe dansR0.

(16)

Introduction Référentiel en translation par rapport à un référentiel galiléen Référentiel en rotation par rapport à un référentiel galiléen

Eets des forces d'inertie dans le référentiel terrestre Exercice

Lois de composition des vitesses et des accélérations Force d'inertie d'entraînement

Exemples de translations

Expression de la force d'inertie d'entraînement :

En partant du principe fondamental de la dynamique dansR

m~a/R(M) =X~f→M=m~a/R0(M) +m~ae

Mécanique Référentiels non galiléens

(17)

Expression de la force d'inertie d'entraînement : dansR0 non galiléen, il faut ajouter aux forcesF~ la force d'inertie d'entraînement :

f~ie =−m.~ae

(18)

Introduction Référentiel en translation par rapport à un référentiel galiléen Référentiel en rotation par rapport à un référentiel galiléen

Eets des forces d'inertie dans le référentiel terrestre Exercice

Lois de composition des vitesses et des accélérations Force d'inertie d'entraînement

Exemples de translations

Loi galiléenne de composition des vitesses

SiR0 est en translation rectiligne uniforme par rapport à R, la vitesse d'entraînement est partout la même et constante au cours du temps :~ve(M) =~v0 =−−→

cste

~v/R(M) =~v/R0(M) +~v0

Mécanique Référentiels non galiléens

(19)

Ensemble des référentiels galiléens

SiR0est en translation rectiligne uniforme dansRgaliléen alors il n'y a pas de forces d'inertie à considérer dansR0. En eet,~ve=−→

cste~ae=~0.

(20)

Introduction Référentiel en translation par rapport à un référentiel galiléen Référentiel en rotation par rapport à un référentiel galiléen

Eets des forces d'inertie dans le référentiel terrestre Exercice

Lois de composition des vitesses et des accélérations Force d'inertie d'entraînement

Exemples de translations

Ensemble des référentiels galiléens

Tout référentiel R0 en translation rectiligne uniforme par rapport à un autre référentiel galiléenR est lui même galiléen.

Mécanique Référentiels non galiléens

(21)

Energie potentielle de la force d'inertie d'entraînement dans le cas d'une translation uniformément accélérée

Si~ae=a0~ux, alors

~fie=−m.~ae=−m.a0~ux= grad(m.a0x)

(22)

Introduction Référentiel en translation par rapport à un référentiel galiléen Référentiel en rotation par rapport à un référentiel galiléen

Eets des forces d'inertie dans le référentiel terrestre Exercice

Lois de composition des vitesses et des accélérations Force d'inertie d'entraînement

Exemples de translations

Energie potentielle de la force d'inertie d'entraînement dans le cas d'une translation uniformément accélérée

Dans le cas d'une translation uniformément accélérée

~

ae =a0~ux, alors la force d'inertie d'entraînement dérive de l'énergie potentielleEp=m a0x.

Mécanique Référentiels non galiléens

(23)

Voiture qui freine

une voiture (le référentielR0) qui est en translation rectiligne dans le référentiel (R) du sol (~ve = +v(t)~ux), mais qui freine :

~ae =−a~ux. La force d'inertie d'entraînement "pousse" les passagers vers l'avant du véhicule.

(24)

Introduction Référentiel en translation par rapport à un référentiel galiléen Référentiel en rotation par rapport à un référentiel galiléen

Eets des forces d'inertie dans le référentiel terrestre Exercice

Lois de composition des vitesses et des accélérations Force d'inertie d'entraînement

Exemples de translations

Grande roue

une cabine (le référentielR0) de grande-roue (de rayon R0) qui est en translation circulaire uniforme dans le référentiel (R) du sol (~ve = +v0~uθ) : ~ae=−Rv02

0 ~ur.

Mécanique Référentiels non galiléens

(25)

référentiel géocentrique

le référentiel géocentrique est en translation par rapport au référentiel héliocentrique

(26)

Introduction Référentiel en translation par rapport à un référentiel galiléen Référentiel en rotation par rapport à un référentiel galiléen

Eets des forces d'inertie dans le référentiel terrestre Exercice

Lois de composition des vitesses et des accélérations Force d'inertie d'entraînement

Exemples de translations

Forces de marées (exercice)

On s'intéresse à la Terre de centreO seule dans l'univers avec un astreA(ce peut être la Lune ou le Soleil) de masseMA à la distance d0 deO.

En utilisant le fait que O est xe dans le référentiel géocentriqueRG, déterminer l'accélération

d'entraînement ~ae deRG dans un référentiel galiléen.

On dénit la force de marée comme la somme de l'attraction gravitationnelle deA et de la force d'inertie d'entraînement exercée sur une particule de masse mà la surface de la Terre (de l'eau par exemple).

Montrer que l'eet de la force de marée est de générer deux "bourrelets" d'eau à la surface du globe terrestre. En déduire qu'il existe environ deux marées hautes par 24 heures.

Mécanique Référentiels non galiléens

(27)

Oest xe dans le référentiel géocentriqueRG, donc la somme des forces est nulles :

−GMAMT

d02 ~uAOMT~ae=~0~ae=−GMA d20~uAO La force de marée au pointPest :

~fm=−GMAm

AP2~uAPm~ae=−GMAm

AP2~uAP+GMAm d20 ~uAO

SiPest plus près deAqueO,~fmest versAet crée un bourrelet.

SiPest plus loin deAqueO,~fmest opposé à la direction deAet crée un bourrelet.

Comme la Terre tourne en 24 heures dans le référentiel géocentrique, il existe

(28)

Introduction Référentiel en translation par rapport à un référentiel galiléen Référentiel en rotation par rapport à un référentiel galiléen

Eets des forces d'inertie dans le référentiel terrestre Exercice

Lois de composition des vitesses et des accélérations Force d'inertie d'entraînement axifuge

Force d'inertie de Coriolis

Deux référentiels en rotation

• R est le référentiel galiléen muni d'un repère(O, ~ux, ~uy, ~uz)et d'une horloge ;

• R0 est un autre référentiel muni d'un repère O0, ~ux0, ~uy0, ~uz0 d'une autre horloge. et

Mécanique Référentiels non galiléens

(29)

Position du problème

Si l'on néglige les eets relativistes, le temps s'écoule de la même façon dans les deux référentiels.

D'autre part, on suppose queR0 est en rotation par rapport à un axe xe dansR. Aussi, on peut choisir :

O0 enO etu~z0 =~uz

~Ω = Ωzu~z avecΩz = dt

Un point matériel enM est repéré par

• −−→

OM =x~ux +yu~y+z~uz dansR;

• et−−→

O0M =x0u~x0 +y0u~y0 +zu~z dansR0.

(30)

Introduction Référentiel en translation par rapport à un référentiel galiléen Référentiel en rotation par rapport à un référentiel galiléen

Eets des forces d'inertie dans le référentiel terrestre Exercice

Lois de composition des vitesses et des accélérations Force d'inertie d'entraînement axifuge

Force d'inertie de Coriolis

Loi de composition des vitesses pour deux référentiels en rotation La vitesse du point matériel enMest

~v/R(M) = d

dtOM

/R

= ˙x~ux+ ˙y~uy+ ˙z~uzdansR;

et~v/R0(M) = d

O0M(t)

dt

!

/R0

= ˙x0~ux0+ ˙y0~uy0+ ˙z~uz dansR0. Aussi,

~ v/R(M) =

d−−→

O0M dt

/R

=

d

x0~ux0+y0~uy0+z~uz dt

/R

~v/R(M) =

x˙0~ux0+ ˙y0~uy0+ ˙z0~uz

+ x0d~ux0 dt +y0d~uy0

dt

!

or ~ux0= cosθ~ux+ sinθ~uy

~

uy0=−sinθ~ux+ cosθ~uy

d~ux0

dt = Ωz sinθ~ux+ cosθ~uy

= Ωz~uy0 d~uy0

dt = Ωz −cosθ~uxsinθ~uy

=−Ωz~ux0

~v/R(M) =~v/R0(M) + Ωz

x0~uy0y0~ux0

=~v/R0(M) +~−→

OM

Mécanique Référentiels non galiléens

(31)

Loi de composition des vitesses pour deux référentiels en rotation

La vitesse~v/R(M) du point M dans le référentiel R est reliée à la vitesse ~v/R0(M)du point M dans le référentielR0 par

~

v/R(M) =~v/R0(M) +~ve

où ~ve est la vitesse d'entraînement, c'est-à-dire la vitesse du point coïncident.

(32)

Introduction Référentiel en translation par rapport à un référentiel galiléen Référentiel en rotation par rapport à un référentiel galiléen

Eets des forces d'inertie dans le référentiel terrestre Exercice

Lois de composition des vitesses et des accélérations Force d'inertie d'entraînement axifuge

Force d'inertie de Coriolis

Loi de composition des accélérations pour deux référentiels en rotation L'accélération du point matériel enMest

~a/R(M) = d~v

/R(M) dt

/R

= ¨x~ux+ ¨y~uy+ ¨z~uzdansR;

et~a/R0(M) = d~v

/R0(M) dt

/R0= ¨x0~ux0+ ¨y0~uy0+ ¨z~uz dansR0. Or~v/R(M) =

x˙0~ux0+ ˙y0~uy0+ ˙z~uz

+ Ωz

x0~uy0y0~ux0

~ a/R(M) =

x¨0~ux0+ ¨y0~uy0+ ¨z~uz +

x˙0d~udtx0 + ˙y0d~udty0

+ ˙z

x0~uy0y0~ux0

+Ωz

x˙0~uy0y˙0~ux0

+ Ωz

x0d~dtuy0 y0d~dtux0

~

a/R(M) = ~a/R0(M) +

x˙0z~uy0y˙0z~ux0

+ ˙z

x0~uy0y0~ux0

+Ωz

x˙0~uy0y˙0~ux0

+ Ωz

−x0z~ux0y0z~uy0

Si on pose

~aC=2~R0/R~v/R0(M) =2z

x˙0~uy0y˙0~ux0

Mécanique Référentiels non galiléens

(33)

Loi de composition des accélérations pour deux référentiels en rotation

L'accélération ~a/R(M) du pointM dans le référentiel R est reliée à l'accélération~a/R0(M)du point M dans le référentiel R0 par

~

a/R(M) =~a/R0+~ae+~aC(M) où l'accélération de Coriolis est

~

aC =2Ω~R0/R ∧~v/R0(M)

et l'accélération d'entraînement est l'accélération du point coïncident :

~a =~a (P)

(34)

Introduction Référentiel en translation par rapport à un référentiel galiléen Référentiel en rotation par rapport à un référentiel galiléen

Eets des forces d'inertie dans le référentiel terrestre Exercice

Lois de composition des vitesses et des accélérations Force d'inertie d'entraînement axifuge

Force d'inertie de Coriolis

Principe fondamental de la dynamique dans un référentiel non galiléen en rotation : Puisque dansRgaliléen

~aM/R=~aM/R0+~aC(M) +~ae(M) = 1 m

X~f→M

donc

m~aM/R0=X

~f→Mm~aC(M)m~ae(M)

Mécanique Référentiels non galiléens

(35)

Principe fondamental de la dynamique dans un référentiel non galiléen en rotation :

dansR0 non galiléen, il faut ajouter aux forcesf~→M la force d'inertie d'entraînement :

f~ie =−m~ae =−m~a/R(P) et la force d'inertie de Coriolis :

~fiC =−m~aC =−2mΩ~R0/R ∧~vM/R0

(36)

Introduction Référentiel en translation par rapport à un référentiel galiléen Référentiel en rotation par rapport à un référentiel galiléen

Eets des forces d'inertie dans le référentiel terrestre Exercice

Lois de composition des vitesses et des accélérations Force d'inertie d'entraînement axifuge

Force d'inertie de Coriolis

Tige tournant par rapport au sol

On s'intéresse à une tige (le référentielR0), qui fait à l'instant t un angleθ(t) avec l'axeOx xe dans le référentielR du sol supposé galiléen. Cette tige tourne autour de l'axeOz avec une vitesse angulaireθ˙. Une perle est assimilée à un point matériel M sur cette tige à une distancer(t)deO à l'instantt.

Mécanique Référentiels non galiléens

(37)

Tige tournant par rapport au sol (exercice) Déterminer le mouvement du point coïncidentP dansR et celui de M dansR0.

En déduire dansR0 la vitesse du pointM et dansR la vitesse du point coïncident P et celle du point M.

Vérier la loi de composition des vitesses.

Déterminer dansR0 l'accélération du pointM et dansR l'accélération du point coïncident P et celle du pointM. Vérier la loi de composition des accélérations.

(38)

Introduction Référentiel en translation par rapport à un référentiel galiléen Référentiel en rotation par rapport à un référentiel galiléen

Eets des forces d'inertie dans le référentiel terrestre Exercice

Lois de composition des vitesses et des accélérations Force d'inertie d'entraînement axifuge

Force d'inertie de Coriolis

Tige tournant par rapport au sol (exercice)

Le pointMest en mouvement rectiligne dansR0selon la tige. Le point coïncident est xe dansR0, à la distancerdeO. Il a donc un mouvement circulaire avec la vitesse angulaireθ˙.

~v/R0(M) = ˙r~ur. et~v/R(P) =rθ~˙uθ. DansR, la vitesse deMest

~

v/R(M) = ˙r~ur+rθ~˙uθ+ ˙z~uz= ˙r~ur+rθ~˙uθ=~v/R0(M) +~v/R(P)

On a bien la loi de composition des vitesses.

~v/R0(M) = ˙r~ur~a/R0(M) = ¨r~ur

D'autre partPen mouvement circulaire dansR

~v/R(P) =rθ~˙uθ~a/R(P) = +rθ~¨uθrθ˙2~ur DansR, l'accélération deMse calcule directement :

~a/R(M) = ¨r~ur+ ˙rθ~˙uθ+ ˙rθ~˙uθ+rθ~¨uθ−rθ˙2~urz~uz= (¨r~ur)+

−rθ˙2~ur+rθ~¨uθ +

2r˙θ~˙uθ

On a bien la loi de composition des accélérations car :

~

aC=2.~R0/R~v/R0(M) =2.θ~˙uz~v/R0(M) =2.θ~˙uzr~˙ur=2r˙θ~˙uθ

Mécanique Référentiels non galiléens

(39)

Force d'inertie d'entraînement dans le cas d'une rotation à vitesse angulaire constante On reprend les calculs précédents avecθ˙=ωetθ¨=0. On trouve

~a/R(P) = +rθ~¨uθrθ˙2~ur=−rθ˙2~ur

soit~fie=m rω2~ur.

(40)

Introduction Référentiel en translation par rapport à un référentiel galiléen Référentiel en rotation par rapport à un référentiel galiléen

Eets des forces d'inertie dans le référentiel terrestre Exercice

Lois de composition des vitesses et des accélérations Force d'inertie d'entraînement axifuge

Force d'inertie de Coriolis

Force d'inertie d'entraînement dans le cas d'une rotation à vitesse angulaire constante

Dans le cas d'un référentielR0 qui tourne à une vitesse angulaire ω constante par rapport à un référentiel galiléenR autour de son axe xeOz, la force d'inertie est axifuge (H est le projeté de M sur l'axe de rotation) :

f~ie =mω2−−→

HM =m rω2~ur

en coordonnées cylindriques d'axeOz.

Mécanique Référentiels non galiléens

(41)

Energie potentielle de la force d'inertie d'entraînement dans le cas d'une rotation à vitesse angulaire constante

Si~fie=m rω2~ur, alors

~fie=m.r2~ur= grad Ep

=dEp dr ~ur

dEp=−m rω2drqu'on peut intégrer en

Ep=1 2m r2ω2

(42)

Introduction Référentiel en translation par rapport à un référentiel galiléen Référentiel en rotation par rapport à un référentiel galiléen

Eets des forces d'inertie dans le référentiel terrestre Exercice

Lois de composition des vitesses et des accélérations Force d'inertie d'entraînement axifuge

Force d'inertie de Coriolis

Energie potentielle de la force d'inertie d'entraînement dans le cas d'une rotation à vitesse angulaire constante

Dans le cas d'un référentielR0 qui tourne à une vitesse angulaire ω constante par rapport à un référentiel galiléenR autour de son axe xeOz, la force d'inertie d'entraînement dérive de l'énergie potentielle Ep=−12m r2ω2 en coordonnées cylindriques d'axe Oz.

Mécanique Référentiels non galiléens

(43)

Propriétés de la force d'inertie de Coriolis

La force de Coriolis s'appliquant toujours orthogonalement à la vitesse, cette force ne travaille pas.

(44)

Introduction Référentiel en translation par rapport à un référentiel galiléen Référentiel en rotation par rapport à un référentiel galiléen

Eets des forces d'inertie dans le référentiel terrestre Exercice

Lois de composition des vitesses et des accélérations Force d'inertie d'entraînement axifuge

Force d'inertie de Coriolis

Propriétés de la force d'inertie de Coriolis La force d'inertie de Coriolis n'existe que :

• si le référentiel non galiléenR0 est en rotation par rapport àR galiléen

• et si le point matériel M se déplace dans le référentiel non galiléenR0.

Le travail de la force d'inertie de Coriolis est toujours nul.

Mécanique Référentiels non galiléens

(45)

Calcul de la force d'inertie de Coriolis sur un manège : (exercice)

On s'intéresse à un manège qui tourne à une vitesse angulaireω par rapport à un référentiel galiléen autour de son axe xeOz vertical.

Montrer que la force d'inertie de Coriolis ressentie par un point matériel de massem qui se déplace avec une vitesse ~v horizontale tend à faire tourner le point matériel vers la droite si le manège tourne dans le sens trigonométrique, vers la gauche si le manège tourne dans le sens horaire.

(46)

Introduction Référentiel en translation par rapport à un référentiel galiléen Référentiel en rotation par rapport à un référentiel galiléen

Eets des forces d'inertie dans le référentiel terrestre Exercice

Lois de composition des vitesses et des accélérations Force d'inertie d'entraînement axifuge

Force d'inertie de Coriolis

Calcul de la force d'inertie de Coriolis sur un manège : (exercice) Si~v= +v~uxet~Ω = +Ω~uz, alors la force d'inertie de Coriolis est :

~fiC=2m~R0/R~vM/R0=2mΩ~uz+v~ux=2m vΩ~uy

qui est suivant−~uydonc vers la droite.

Mécanique Référentiels non galiléens

(47)

Référentiels terrestre et géocentrique

Le repère(O, ~ex, ~ey, ~ez) est xe dans le référentiel géocentrique.

Le référentiel terrestre tourne autour de l'axe polaireOz avec un

(48)

Introduction Référentiel en translation par rapport à un référentiel galiléen Référentiel en rotation par rapport à un référentiel galiléen

Eets des forces d'inertie dans le référentiel terrestre Exercice

Eets de la force d'inertie d'entraînement dans le référentiel terrestre Eets de la force d'inertie de Coriolis dans le référentiel terrestre

Calcul de la force d'inertie d'entraînement à la surface de la Terre : (exercice)

On peut supposer le référentiel géocentrique galiléen.

Par rapport à celui-ci, le référentiel terrestre est en rotation autour de l'axe polaire, avec un vecteur rotationΩ = 242πhu~z, où u~z est orienté du Pôle Sud vers le Pôle Nord.

Soit un point à la surface de la Terre, de coordonnées dans le repère sphérique de centreO, le centre de la Terre : r=RT (le rayon de la Terre),θ= π2 −λ(λ est la latitude) etϕ, la longitude.

Montrer que la force d'inertie d'entraînement ressentie par un point matériel de masse men ce point estf~ie =mω2RT cosλ(cosλ ~er −sinλ ~eθ).

Mécanique Référentiels non galiléens

(49)

Calcul de la force d'inertie d'entraînement à la surface de la Terre : (exercice) La force d'inertie d'entraînement ressentie par un point matériel de massemen ce point est

~fie=mω2−→

HM Or

−→HM=HM

−→HM

HM =RT cosλ

−→HM

HM =RT cosλ(cosλ ~ersinλ ~eθ)

(cqfd).

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Introduction Référentiel en translation par rapport à un référentiel galiléen Référentiel en rotation par rapport à un référentiel galiléen

Eets des forces d'inertie dans le référentiel terrestre Exercice

Eets de la force d'inertie d'entraînement dans le référentiel terrestre Eets de la force d'inertie de Coriolis dans le référentiel terrestre

Le poids : (dénition)

On dénit le poids comme la somme de deux forces : - l'attraction gravitationnelle exercée par la Terre sur l'objet ~fG;

- la force d'inertie d'entraînement due à la rotation de la Terre ~fie.

Mécanique Référentiels non galiléens

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Direction du poids

~fG =−Gm MT

R3

−→OP et ~fie =mΩ2−→

HP. La direction indiquée par un l

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Introduction Référentiel en translation par rapport à un référentiel galiléen Référentiel en rotation par rapport à un référentiel galiléen

Eets des forces d'inertie dans le référentiel terrestre Exercice

Eets de la force d'inertie d'entraînement dans le référentiel terrestre Eets de la force d'inertie de Coriolis dans le référentiel terrestre

Inhomogénéités du champ de pesanteur à la surface de la Terre :

La force d'inertie d'entraînement est la plus grande à l'équateur, là où l'on est le plus éloigné de l'axe de rotation. C'est donc à

l'équateur que le poids d'un objet est le plus petit, et aux pôle qu'il est le plus grand.

De la même façon, plus l'altitude est élevée, plus l'attraction gravitationnelle est faible, et plus la force d'inertie est forte : un objet est moins lourd en altitude.

Mécanique Référentiels non galiléens

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Le pendule de Foucault

Foucault met au point au XIXième siècle un pendule qui oscille susamment longtemps pour qu'on ait le temps de voir son plan d'oscillation tourner dans le référentiel terrestre.

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Introduction Référentiel en translation par rapport à un référentiel galiléen Référentiel en rotation par rapport à un référentiel galiléen

Eets des forces d'inertie dans le référentiel terrestre Exercice

Eets de la force d'inertie d'entraînement dans le référentiel terrestre Eets de la force d'inertie de Coriolis dans le référentiel terrestre

Le pendule de Foucault au Pôle Nord (exercice) On peut supposer le référentiel géocentrique galiléen.

On s'intéresse à un pendule simple très long oscillant sans frottement accroché au Pôle Nord.

Rappeler son mouvement dans le référentiel géocentrique. En déduire le mouvement de son plan d'oscillation dans le référentiel terrestre.

En supposant que la masse accrochée au pendule se déplace dans un plan horizontal, déterminer le mouvement de son plan d'oscillation dans le référentiel terrestre.

Mécanique Référentiels non galiléens

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Le pendule de Foucault au Pôle Nord (exercice)

Dans le référentiel géocentrique, galiléen, mouvement d'oscillation dans un plan xe. Comme la Terre tourne en 24 h, le plan d'oscillation du pendule tourne aussi en 24 h dans le référentiel terrestre.

Dans le référentiel terrestre, il faut prendre en compte la force d'inertie de Coriolis, comme dans un manège qui tourne en 24 h. Si~v= +v~uxet~Ω = +Ω~uz, alors la force d'inertie de Coriolis est :

~fiC=2m~R0/R~vM/R0=2mΩ~uz+v~ux=2m vΩ~uy

qui est suivant−~uydonc vers la droite. Le plan d'oscillation du pendule tourne donc vers la droite dans le référentiel terrestre.

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Introduction Référentiel en translation par rapport à un référentiel galiléen Référentiel en rotation par rapport à un référentiel galiléen

Eets des forces d'inertie dans le référentiel terrestre Exercice

Eets de la force d'inertie d'entraînement dans le référentiel terrestre Eets de la force d'inertie de Coriolis dans le référentiel terrestre

La déviation vers l'est à l'équateur (exercice) Un point matériel de masse mest lâché en altitude sur l'équateur, sans vitesse initiale dans le référentiel terrestre R0. On néglige les frottements.

Montrer que le mobile est dévié vers l'est lors de sa chute en étudiant le mouvement :

dans le référentiel géocentrique dans le référentiel terrestre.

Mécanique Référentiels non galiléens

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La déviation vers l'est à l'équateur (exercice)

Dans le référentiel géocentrique, il s'agit d'une chute libre.

La vitesse horizontale du mobile se conserve donc. Or, la vitesse initiale dans le référentiel géocentriqueRsupposée galiléen est non nulle et plus importante que celle du sol (en B), plus proche de l'axe de rotation.

Dans le référentiel terrestre, si on suppose que la vitesse est principalement verticale :~v=vx(t)~ex. On intègrem~a=−m~ex2vx~ey:

vx(t) =−g tetvy=2g t>0 : déviation vers l'est.

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