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Oxyz~gθG I.Rotationàvitesseangulairevariable(d’aprèsMinesMP2005,PhysiqueI) ElémentsdecorrectionsurleDSdePhysiquen 8

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Texte intégral

(1)

Eléments de correction sur le DS de Physique n

8

PCSI 1, année 2015-2016

Thèmes : solide en rotation, gaz parfait, statique des fluides.

I. Rotation à vitesse angulaire variable (d’après Mines MP 2005, Physique I)

1. On étudie

— le système cheminée,

— dans le référentiel terrestre supposé galiléen.

— La cheminée subit alors comme forces :

•son poidsP~auquel est associé le momentM~P~(O) enOde composante selon l’axe (Oz) M~

P ,z(O) = −

|{z}

rotation négative

M g× D 2cosθ

| {z } bras de levier

(1)

•la réaction du solR~de moment nul, la liaison étant supposée parfaite.

Ainsi le théorème du moment cinétique, appliqué enOet projété sur l’axe (Oz), donne JOθ¨=−M gD

2cosθ soit ¨θ=−3g

2Dcosθ

(2)

2. NotonsE,Ec,Eples énergies mécanique, cinétique et potentielle de la cheminée.

A chaque instantt,

E=Ec+Ep;

Ec=1 2JOθ˙2=1

2M~v2G+1 2JGθ˙2=1

6M D2θ˙2;

Epest l’énergie potentielle de pesanteur, soitEp=M gyG=M gD

2sinθ, on a choisiEp= 0 lorsque yG= 0.

OrEest conservée, toute cause de dissipation d’énergie ayant été négligée, ie frottements de l’air et dissipation de l’énergie au niveau de la liaison pivot considérée comme parfaite. Ainsi

E(t) =E(0) soit 1

6M D2θ˙2+M gD

2sinθ=M gD 2 et θ˙2=3g

D(1−sinθ)

(3)

En dérivant par rapport au temps, puis en simplifiant par 2 ˙θ non nul lorquet > 0, on retrouve bien θ¨=−3g

2Dcosθ.

O

x y

z

~ g

θ G

P~ D

bras de levier D

2cosθ R~

Figure1 – Bilan des forces sur le système cheminée

(2)

3. La cheminée vérifie également le théorème de la résultante cinétique M~aG=P~+R~

or −−→ OG=D

2~u, ~vG=D 2

θ~˙v et~aG=−D 2

θ˙2~u+D 2

θ~¨v d’où −MD

2

θ˙2~u+MD 2

θ~¨v=P~+R~

soit

−MD 2

θ˙2=−M gsinθ+Ru MD

2

¨θ=−M gcosθ+Rv

et

Ru = M g 5

2sinθ−3 2

Rv = 1 4M gcosθ

(4)

4. La cheminée étant modélisée par un cylindre homogène, m=M× d D. Pour la même raison,Gpest le milieu géométrique de la portionOPdonc −−→

OGp=d 2~u. 5. On étudie

— le système portionOPde la cheminée,

— dans le référentiel terrestre supposé galiléen.

— La portion de cheminée subit alors comme forces :

•son poidsMd D~g;

•la réaction du solR~;

•l’action de la partie supérieur de la cheminéeS~ Ainsi le théorème de la résultante cinétique, projété sur~v, donne

Md D×d

2

θ¨=−Md

Dgcosθ+Rv+Sv soit Sv=−M

4gcosθ

3d D−1 d

D−1

(5)

6. L’effort de cisaillement est le plus important lorsqued= 0, soit à la base de la cheminée, point où la cheminée aura tendance à s’effriter.

7. Le théorème de moment cinétique appliqué au système portion de cheminée, appliqué enOet projeté sur l’axe (Oz), donne

md2 3

θ¨= −mgd 2cosθ

| {z } contribution du poids

+Sv×d+C

On retrouve bien C=1 4M gdcosθ

d D−1

2

en remplaçant ¨θetSvpar les expressions trouvées précedemment.

(6)

8. On peut écrireC commeC=1

4M gDcosθ× d D

d D−1

2

. ConsidéronsCcomme une fonction ded/D alorsC(0) =C(1) = 0.

O

x y

z

~ g

θ

Md D~g R~

~ u

~ v

P

S

v

S

u

d

G

p

Figure2 – Bilan des forces sur le système portionOPde cheminée

d D Sv

d=D 3 Sv= 0

d=D

Sv= 0

Figure3 – Allure de la fonctionSv(d/D) àθfixé

(3)

d D C

d=D 3

d=D

Figure4 – Allure de la fonctionC(d/D) àθfixé De plus,

C0(d/D) = constante×

3d D−1 d

D−1

(7) d’où

Ainsi si la cheminée se brise à cause d’un couple trop fort, la cheminée se brisera end=D/3.

Sur les deux photographies présentées, on observe sur celle de gauche que la cheminée se brise au milieu tandis que sur celle de droite, elle se brise près de sa base. On peut donc conjecturer que la cheminée de gauche s’est brisé à cause d’un couple trop important, la partie supérieure a tendance à effectuer une rotation trop rapide par rapport à la partie inférieure tandis que sur celle de droite, la cheminée s’est brisé à cause d’un effort de cisaillement trop important, la partie supérieure a tendance à effectuer un mouvement de translation trop lent par rapport à la partie inférieure.

On peut constater que les ordres de grandeur sont corrects mais quantitativement 1/26= 1/3. Ces diffé- rences peuvent s’expliquer par plusieurs simplifications introduites dans le modèle :

— liaison pivot parfaite,

— homogénéité de la cheminée,

— et surtout rayon de la cheminée négligeable devant sa hauteur. Les photographies suivantes sont tirées de “Toy models for the falling chimney” écrit par Variesch et Kamiya :

Figure5 – IciHhauteur totale,adiamètre de la cheminée,rlongueur de la portion inférieure au delà de laquelle apparaît la brisure,thetaangle de la brisure.

II. Atmosphère et montgolfière (d’après Mines MP 2008, Physique II)

II.A. Atmosphère en équilibre a. Atmosphère isotherme

9. Une quantiténd’air occupant un volumeV vérifie l’équation d’état des gaz parfaitsP V =nRTo, or la masse volumiqueµestµ=nMe/V

µ=P Me

RTo (8)

10.Le système, particule de fluide centrée enM de volume dV à l’altitudez, subit son poidsρdV ~get les forces de l’air qui l’entourent−−−→

gradPdV.

M(x, y, z) ρdV ~g

P(x, y, z−dz/2)dxdy~uz

−P(x, y, z+ dz/2)dxdy~uz

P(x, y−dy/2, z)dxdz~uy −P(x, y+ dy/2, z)dxdz~uy

−P(x+ dx/2, y, z)dydz~ux

P(x−dx/2, y, z)dydz~ux

~ uy

~ uz

~ ux

Le théorème de la résultante cinétique dans le référentiel terrestre supposé galiléen donne

−−→gradP=ρ~g soit −−→

gradP=P Me

RTo~g (9)

Les projections selon ~ux et~uy indiquent que la pression ne dépend que dez;P(x, y, z) = P(z). La projection selon~uzdonne

dP

dz =−Meg RToP soit P(z) =Poexp

z H

avec H=RTo

Meg

(10)

11.R= 8,31 J.K−1.mol−1,To= 288 K,Me= 0,8×MN2+ 0,2×MO2= 2×0,8×MN+ 2×0,2×MO= 1,6×14.10−3+ 0,4×16.10−3kg.mol−1etg= 9,81 m.s−2donnent H= 8,5 km .

ziso50%vérifiePo

2 =Poexp −ziso50%

H

!

, soit z50%iso =Hln 2 = 5,9 km.

b. Équilibre polytropique

12.La loi de la statique des fluides−−→

gradP = P Me

RT ~g est toujours valable. Les projections selon~ux et~uy donnent toujoursP(z).

(4)

Maintenant, la projection selon~uzdonne

dP dz =−Meg

RTP soit avecT(z) =To(1−αz), dP

dz =−Meg RTo× P

1−αz soit en séparant les variables, dP

P =−Meg RTo

dz 1−αz soit en intégrant entrez= 0 etz, ln

P P0

= Meg

αRToln (1−αz) Finalement, P =Po(1−αz)β avec β= Meg

αRTo= 1 αH

(11)

Ensuite,

µ(z) =nMe V =P Me

RT =PoMe RTo

| {z}

o

×(1−αz)β 1−αz

soit µ(z) =µo(1−αz)β−1 avec µo=PoMe RTo

(12)

13. z50%pol vérifie Po

2 =Po(1−αz50%pol)β, soitz50%pol =zo 1− 1

2 MegzoRTo !

.

zo = 33 km ; R = 8,31 J.K−1.mol−1;To = 288 K ; Me = 29 g.mol−1 etg = 9,81 m.s−2 donnent z50%pol = 5,4 km .

On obtientz50%pol etz50%iso du même ordre de grandeur ; ce qui était attendu car la variation relative de température dans le second modèle surziso50%est de l’ordre de (ToT(zpol50%))/To'20%. Ainsi, àz50%pol, la température reste de l’ordre deToet qualitativement, les deux modèles reviennent au même.

Quantitativement,z50%pol < z50%iso, ce qui était également attendu car

dP dz

est proportionnel à 1 T. Par conséquent, lorsqueT diminue,

dP dz

augmente ce qui signifie que dans le second modèle, la pressionP diminue plus vite avec l’altitude que dans le premier modèle, ce quez50%pol < ziso50%permet de mettre en évidence.

14. T = 288,14−6,94z= 288,14×

1− 6,94 288,14z

On obtientT =To(1−z/zo) avecTo= 288,14 K et zo= 288,14/6,94 = 41,5 km. Ainsi les données ont la possibilité de correspondre au modèle polytropique si on posezo= 41,5 km et non 33 km.

Ensuite, P = 1,01(T /288,08)5,26 = 1,01× 288,14

288,08 5,26

×

1− z zo

5,26

. Ceci correspond au modèle polytropique siPo= 1,01×

288,14 288,08

5,26

= 1,01 bar, et sizo

H= 5,26 ; soitH= 7,89 km.

L’écart entre l’estimation deHdue aux régressions et l’estimation deH avec le modèle du gaz parfait provient sans doute du fait de l’écart de comportement de l’air par rapport au gaz parfait. L’écart relatif entre les deux valeurs est de 8%.

Par conséquence, on peut appliquer le modèle de l’atmosphère polytropique sur une altitude de l’ordre de 10 km si une précision de l’ordre de 10% suffit. Ensuite, plus l’alititude sera faible, meilleur sera la précision.

15. On ami=niMe=PiV0Me

RTi . Or il est écrit “L’ouverture inférieure de l’enveloppe permet de réaliser en permanence l’équilibre de pression entre l’air froid extérieur et l’air chaud intérieur” doncPi=Pe. Ainsi

mi=PeV0Me

RTi . De plus, l’air étant assimilé à un gaz parfaitµe=PeMe RTe donc mi=µeV0

Te

Ti . (13)

16.

montgolfière poids (m+mi)~g

poussée d’archimède−µeV0~g

(m+mi)~g=µeV0~g, orµeV0=mi×Ti Te donc m=mi

Ti Te−1

(14)

17.Enz=zm,

m=µeV0

avecµe(z) =µ0(1−αz)β−1, m=µoV0(1−αzm)β−1 ce qui donne zm=zo 1−

m µoV0

β−11 ! .

(15)

zo= 40 km ;m= 500 kg ;µo=PoMe

RTo = 1,22 kg.m−3;V0= 2000 m3etβ= 5 donnent zm= 13 km . 18.Pour que la montgolfière décolle, il faut

µ0V0g

|{z} poussée d’Archimède enz= 0

> (m+mi)g

| {z } poids de la montgolfière

soit m+ µ0V0

T0

Ti

| {z } formulemieV0Te

Tienz=0

< µ0V0

ce qui donne Ti> T0

1−µm

0V0

à condition quem < µoV0.

(16)

On retrouve queTidoit être supérieure à une températureTdavec Td= To 1−µm

0V0

. To= 288 K ;m= 500 kg ;µo=PoMe

RTo = 1,22 kg.m−3etV0= 2000 m3donnent Td= 362 K .

19.Supposons qu’une montgolfière descende et qu’à un instant donné, la descente aille plus vite que le refroi- dissement du ballon, c’est-à-dire que, enz−dz, la températureTide la montgolfière correspond à l’état d’équilibre enz.

Ti,ni,u2i

z Te,ne,u2e

Ti,f,ni,u2i,f

z−dz Te,ne,u2e

(5)

Pour le raisonnement qui suit, on utilise les notations de la théorie de la cinétique des gaz parfaits.

L’équilibre des forces se ramène àneV0mair=m+niV0mair, avecmairla masse moyenne d’une molécule d’air.

L’équilibre des pressions se ramène àneu2e=niu2i.

— Si enz−dz, la températureTi,f est fixée à une valeur inférieure à celle de l’équilibreTi,eq, alors ui,f< ui,eq.

— Pour retrouver l’équilibre des pressions,neu2e = niu2i, sachant que de plusneu2e a augmenté par rapport à la situation enz,ni,faugmente (on observe bien un échange de matière des hautes pressions vers les faibles pressions) et ceci jusqu’à avoir équilibre des pressionsni,f=ni,equ2i,eq

u2i,f > ni,eq.

— Le fait queni,f(z−dz) soit inférieur àni(z) correspond bien à une descente, normalement contre- balancée par la poussée d’ArchimèdeneV0mairg. Cependant,ni,f > ni,eq doncmi,f > mi,eq et la descente se poursuit ...

Ainsi, dans cette situation, il est nécessaire de descendre suffisamment lentement pour que la thermalisation du ballon soit aussi ou plus rapide que la descente.

20. On veut

Ti0(0)>0 soit βm > µ0V0

ce qui donne V0< Vmax avec Vmax=βm µ0

(17)

β= 5,m= 500 kg etµo=PoMe

RTo = 1,22 kg.m−3donnent Vmax= 2,05×103m3. On veut

Td< Tmax

soit To 1−µm

oV0

< Tmax

ce qui donne V0> Vmin avec Vmin=m µ0

× 1 1−TTo

max

(18)

m= 500 kg,µo=PoMe

RTo = 1,22 kg.m−3,To= 288 K etTmax= 373 K donnent Vmin= 1,80×103m3. Ensuite,zm=z0 1−

m µoV0

β−11 !

. Ainsi,zo= 40 km,m= 500 kg,µo=PoMe

RTo = 1,22 kg.m−3,β= 5

— etV0=Vmax= 2050 m3donnent zm,max= 13 km ;

— etV0=Vmin= 1800 m3donnent zm,min= 12 km ;

III. Equivalent mésoscopique de l’équilibre liquide vapeur (d’après Aarts et al, Science 304, 847, 2004)

21.L’interface eau-air présente des motifs de l’ordre de l’angstrom, motifs qui vont donc très largement diffracté la lumière car l’angstrom est très petit devant les longueurs d’onde visibles. La très grande majorité des rayons lumineux étant diffracté, l’optique géométrique ne s’applique plus et on ne peut construire l’image de l’interface.

22.

distance interparticuler énergie potentielle

d’interactionEint

Interaction attractive lorsque rest de l’ordre de quelques a, attraction due aux interac-

tions de Van der Waals (pa- tienter jusqu’en 2ème année) Interaction à courte

distance répulsive, les nuages électroniques ne peuvent d’interpénétrer.

III.A. La répulsion : modèle de sphères dures

23.LorsqueD <2Rb, les deux gros colloïdes s’interpénètrent ce qui est impossible ! On parle de répulsion stérique (stérique = relatif à la géométrie). L’énergie potentielle d’interaction est l’énergie à fournir pour

D Rb

Impossible !

D Rb

Figure6 – Schématisation de deux colloïdes mous puis durs.

constituer le système, les colloïdes étant immobiles, Moins les colloïdes sont déformables, plus cette énergie nécessaire, et doncEintest élevée et tend vers l’infini dans la limite de colloïdes infiniment durs, ie non déformables strictement.

(6)

III.B. L’attraction : interaction de déplétion 24.

25. Chacun des types de colloïdes est considéré comme un gaz parfait. Notonsus, resp.ms, la vitesse qua- dratique moyenne, resp. la masse, des petits colloïdes etub, resp.mb, celles des gros colloïdes. Ainsi, la définition de la température cinétique est

1 2msu2s=3

2kBT et 1 2mbu2b=3

2kBT On en déduit u2b=ms

mbu2s.

Commemsmb, alors ubus , on suppose donc ub= 0

(19)

26. Cf démonstration cours.

gaz de petits colloïdes

paroi du gros colloïde à l’échelle des petits colloïdes

ms us~uy

ms us~uy

ms

−us~uz

Avant les chocs ent

S

usdt contient

nsSusdtpetits colloïdes, seuls 1/6 ont la direc- tion et le sens adéquates pour entrer en colli- sion avec le gros colloïde

~uy

~uz

~ux

ms

−us~uy

ms

−us~uy

ms

−us~uz Après les chocs ent+ dt

S

usdt

Lors d’un choc, la quantité de mouvement~psd’un petit colloïde varie de d~ps=−2msus~uy. Cette variation est due à la force exercée par le gros colloïde sur le petit.

Choisissons comme système les 1

6nsSusdtpetits colloïdes qui entrent en collision sur la paroiS du gros colloïde pendant dt.

Alors le théorème de la résultante cinétique donne 1

6nsSusdt×(−2msus~uy) =−PsS~uy×dt soit Ps=1

3nsmsu2s

(20)

27.

27.a)

dF~=−PsR2bsinθdθdϕ~ur

dF~=−PsR2bsinθdθdϕ~ur

Lorsque le second colloïde est très loin, il ne modifie pas les collisions entre les petits colloïdes et le premier gros colloïde. Ainsi, les collisions habituelles donnent lieu à des forces pressantes dont la résultante est nulle par symétrie. En choisissant un repère sphérique centré sur le gros colloïde, la contribution en (Rb, θ, ϕ) s’annule avec la contribution en (Rb, πθ, ϕ+π).

27.b) La relationFint(D) =−dEint(D)

dD avecFint(D) la force d’interaction, soit la force du premier col- loïde sur le second, permet d’obtenirEint(D) =constante lorsqueD≥2Rb+ 2rs.Eintétant éga- lement l’énergie nécessaire pour constituer le système à partir d’un état sans interaction, on pose

Eint(D) = 0 lorsqueD≥2Rb+ 2rs. 28.

z

y

x

M

H Rb θ

ϕ

Les petits colloïdes ne peuvent s’intercaler entre les deux gros colloïdes

29.On voit sur le schéma que les collisions entre les petits et les gros colloïdes ne peuvent avoir lieu siθest trop petit car alors il ne peut y avoir tout simplement pas de petits colloïdes. La situation étant invariante par rotation autour de l’axe (Oz), le schéma suivant se restreint à un planϕfixé. A la limite, on a

(7)

D 2rs z

α

Rbcosα

αest donc déterminé par

2Rbcosα+ 2rs=D soit cosα=D−2rs

2Rb

(21)

30.

θ∈[α;π] et ϕ∈[0; 2π[ (22)

31.

d2S~=R2bsinθdθdϕ~ur et d2F~pression=−Psd2S~=−PsR2bsinθdθdϕ~ur (23) 32. Seule la composante selon~uzcontribue àF~pression, la seconde composante ne contribue pas ce qu’on peut

constater en profitant de la symétrie due à la rotation deπautour de l’axe (Oz).

z

d2F~pression(θ, ϕ) θ

d2F~pression(θ, ϕ+π)

πθ

33.Ainsi

F~pression= ˆπ

θ=α

ˆ ϕ=0

−PsR2bsinθdθdϕ~ur F~pression=

ˆπ

θ=α

ˆ

ϕ=0

−1

3nsmsu2sR2bsinθcosθdθdϕ~uz F~pression=−π

3nsmsu2sR2bhsin2θiπ

θ=α~uz F~pression=π

3nsmsu2sR2bsin2α~uz F~pression=π

3nsmsu2sR2b(1−cos2α)~uz F~pression=π

3nsmsu2sR2b 1−(D−2rs)2 4R2b

!

~uz F~pression= π

12nsmsu2s4R2b−(D−2rs)2~uz F~pression= π

12nsmsu2s(2RbD+ 2rs)) (2Rb+D−2rs))~uz soit F~pression=π

3nsmsu2s(RbD/2 +rs)(Rb+D/2rs)~uz

(24)

34.On a

F~pression=F~colloïde 2→colloïde 1

Ainsi F~colloïde 1→colloïde 2=−F~colloïde 2→colloïde 1

ce qui donne F~colloïde 1→colloïde 2=−π

3nsmsu2s(RbD/2 +rs)(Rb+D/2rs)~uz

(25)

Ainsi

dEint(D)

dD =−F~colloïde 1→colloïde 2.~uz=π

3nsmsu2s(RbD/2 +rs)(Rb+D/2rs) dEint(D)

dD =−π

3nsmsu2s(D/2−Rbrs)(D/2 +Rbrs) dEint(D)

dD =−π

3nsmsu2s D2

4 −rsD−(R2br2s)

!

d’où Eint(D) =−π

3nsmsu2s D3 12−rs

2D2−(R2brs2)D+K

!

(26)

avecKconstante d’intégration.

(8)

35. Kest tel que

Eint(2Rb+ 2rs) = 0 soit (2Rb+ 2rs)3

12 −rs

2(2Rb+ 2rs)2−(R2br2s)(2Rb+ 2rs) +K= 0 soit K=−(2Rb+ 2rs)3

12 +rs

2(2Rb+ 2rs)2+ (Rb2r2s)(2Rb+ 2rs) K= (2Rb+ 2rs) −(2Rb+ 2rs)2

12 +rs

2(2Rb+ 2rs) + (R2br2s)

!

K= (2Rb+ 2rs)R2b(−1/3 + 1) +Rbrs(−2/3 + 1) +rs2(−1/3 + 1−1) Finalement K=2

3(Rb+rs)2(2Rbrs) et Eint(D) =−π

3nsmsu2s D3 12−rs

2D2−(R2brs2)D+2

3(Rb+rs)2(2Rbrs)

!

=−π

36nsmsu2s[D−(2Rb+ 2rs)]2[D+ 4Rb−2rs]

(27)

Remarque : on sait queEint(D)∝[D−(2Rb+ 2rs)]2carEint(2Rb+ 2rs) = 0 etEint0 (2Rb+ 2rs) = 0.

36.

D Eint(D)

2Rb+ 2rs 2Rb

37. Une valeur caractéristique deEint(D) estEint(2Rb) =−π

36nsmsu2s×4rs2×(6Rb−2rs), soit Eint,typ=2π

9nsmsu2srs2(3Rbrs) .

38.A la transition liquide colloïdal-gaz colloïdal,

Eint,typEc,typ soit 2π

9nsmsu2sr2s(3Rbrs)∼3 2kBT

9ns×3

2kBT×rs2(3Rbrs)∼3 2kBT ce qui donne ns∼ 9

2π× 1

r2s(3Rbrs)

(28)

39.

φs=ns4 3πrs3= 9

2π× 1

rs2(3Rbrs)×4 3πr3s φs= 6

(3Rb/rs−1) soit rs= 3Rb

1 +φ6

s

∼20 nm

(29)

On retrouve bien quers< Rbet de l’ordre de quelques dizaines de nm, cohérent,rsest en fait indiqué dans l’article, on y litrs= 44 nm, soit seulement un facteur 2 de différence ce qui n’est pas mal étant donné la simplicité du modèle effectué !

40.Interactions de Van der Waals.

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