Oscillateurs mécaniques
c) En déduire la pulsation propre ?0 le facteur de qualité Q de l'oscillateur
Chapitre 2 Oscillateurs
Un oscillateur mécanique effectue un mouvement d'aller-retour de part et d'autre de sa position d'équilibre. • En électricité un circuit dans lequel circule un
Physique terminale S
La problématique de la mesure du temps par des oscillateurs mécaniques est Un oscillateur mécanique est un système animé d'un mouvement périodique de.
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TP N° 17 : OSCILLATIONS MECANIQUES
TP N° 17 : OSCILLATIONS MECANIQUES ressorts est équivalent à une association en parallèle l'oscillateur est donc un mobile de masse m relié à un point.
Chapitre 2
Oscillateurs
2.1 Systèmes oscillants
2.1.1 Exemples d"oscillateurs
Lessystèmes oscillantssont d"une variété impressionnante et rares sont les domaines de la physique dans lesquels ils ne jouent pas un rôle important : la corde vocale, la suspension pneumatique, la corde d"un violon, le circuit électrique oscillant, ... Nous allons étudier lesoscillationsde quelques systèmes oscillants simples, mécaniques etélectriques. La figure
2.1 mon trequelques oscillateursmécaniques.Figure2.1 - Oscillateurs mécaniquesChacun de ces systèmes est caractérisé par un état d"équilibre stable. Lorsqu"on fournit au
système de l"énergie pour l"écarter de sa position d"équilibre, une force de rappel tente de le
ramener dans cette position. L"énergie fournie au système fait que ce mouvement de rappel ne cesse pas mais continue au-delà de la position d"équilibre.2.1.2 Mise en évidence expérimentale
Expérience 2.1Sur un banc à coussin d"air, un chariot est accroché à deux ressorts iden- tiques (figure 2.2). Les autres extrémités des ressorts sont fixes et distantes d"une longueurpenduleélastique liquidedansun tubeenU pendulesimple38Oscillateurs1BCsuffisante pour que les ressorts soient toujours tendus.
Le chariot est écarté de sa position d"équilibre et puis lâché. Un dispositif permet d"enregistrer
au cours du temps la position du chariot par rapport à sa position d"équilibre.Figure2.2 - Schéma du dispositif expérimental
Observations:
Si les amortissements sont négligeables, on obtient unesinusoïde(figure2.3a ). En di- minuant la puissance de la soufflerie, l"épaisseur du coussin d"air est réduit ce qui faitaugmenter la force de frottement; on obtient desoscillations amorties(figure2.3b ).(a) sinusoïde(b) oscillations amorties
Figure2.3 - Variations de la position au cours du temps2.1.3 Définitions d"oscillateurs
DéfinitionUn oscillateur est un système physique manifestant la variation d"une grandeurphysique de part et d"autre d"un état d"équilibre. Si les variation se reproduisent identiques à
elles-mêmes, l"oscillateur est dit périodique.Exemples:
•Un oscillateur mécanique effectue un mouvement d"aller-retour de part et d"autre de sa position d"équilibre. •En électricité, un circuit dans lequel circule un courant alternatif est un oscillateurélectrique.
Un oscillateur est ditharmoniquesi la variation de la grandeur physique est une fonction sinusoïdale du temps.Exemples: pendule simple, pendule élastique.
Un oscillateurlibreeffectue des oscillations correspondant à ses propres caractéristiques. Unoscillateur estforcés"il est soumis à un autre système oscillant qui essaie de lui imposer ses
oscillations.chariotbancàcous sin d"airressort1BCOscillateurs39Exemple: un ressort vertical effectue des oscillations libres quand il est tenu par une main
immobile; quand la main effectue un mouvement oscillant vertical on obtient des oscillations forcées. Un oscillateuramortieffectue des oscillations dont l"amplitude diminue avec le temps. Pra- tiquement tous les oscillateurs observés sont plus ou moins amortis à cause des frottements.Un oscillateur estentretenusi l"amplitude reste constante grâce à un apport extérieur d"éner-
gie.Exemple: le pendule d"une montre.
2.1.4 Grandeurs caractéristiques des oscillateurs
Période et fréquence
LapériodeTest la durée d"une oscillation. C"est la plus courte durée après laquelle le phé-
nomène oscillatoire se reproduit identique à lui-même. L"unité de la période est la seconde
(s). Lafréquencefest le nombre de fois que le phénomène oscillatoire se reproduit par seconde.L"unité de la fréquence est le hertz (Hz).
La période et la fréquence sont inverses l"un de l"autre :f=1TÉquation horaire
Considérons les oscillations d"un oscillateur harmonique. La variation d"une grandeurxdu système est sinusoïdale. Cette grandeur est par exemple :•la mesure algébrique de l"écart par rapport à la position d"équilibre, appeléeélongation,
du chariot sur le banc à coussin d"air de l"expérience précédente; •l"intensité du courant électrique dans le cas d"un oscillateur électrique.La forme la plus générale de l"équation horaire d"un oscillateur harmonique est :x(t) =xmsin(ω t+?)(2.1)
où les constantesxm,ωet?sont les paramètres de l"oscillation qui dépendent du système considéré. Les constantesxmetωsont choisies positives. L"argument du sinus,ω t+?, est la phasede l"oscillation à l"instantt. Remarque: on peut également remplacer le sinus par un cosinus. La grandeurxprend des valeurs entre-xmet+xm; la constantexmest la valeur maximale dex, appeléeamplitude. L"unité de l"amplitude est égale à celle dex. La valeur dexà l"instantt= 0est donnée par : x(t= 0) =xmsin(?). La constante?, appeléephase initiale, tient compte de la valeur initiale de la grandeurxetdu sens initial de sa variation.40Oscillateurs1BCIl reste à déterminer la constanteω. Elle s"exprime en fonction de la périodeTde sorte que la
condition de périodicité pour la grandeurxsoit vérifiée. Lorsque le tempstaugmente d"une périodeT: x(t+T) =xmsin(ω t+?+ω T) l"argument du sinus augmente de2πde sorte que : x msin(ω t+?+ω T) =xmsin(ω t+?+ 2π) =x(t). Pour que cette condition soit vérifiée à tout instant,ωdoit vérifier la relation :ω T= 2π?ω=2πT
La constanteωest appeléepulsation:ω=2πT = 2π f(2.2)L"unité de la pulsation est le hertz (Hz).
Remarque: tandis que l"amplitude et la phase initiale sont déterminées par les conditionsinitiales, la pulsation dépend uniquement des caractéristiques de l"oscillateur.1BCOscillateurs412.2 Oscillateurs mécaniques
Comme exemple type d"un oscillateur mécanique nous allons étudier en détail les oscillations
d"un pendule élastique horizontal (figure 2.4 ).Figure2.4 - Pendule élastique horizontal Ce système oscillant simple est composé d"un solide de massemaccroché à un ressort à spires non jointives de raideurk. Le solide peut se déplacer sans frottements sur un support horizontal.2.2.1 Rappels sur le ressort
La figure
2.5 mon treun ressort de raideur ksur lequel un opérateur exerce une force?Fà l"extrémitéMdu ressort. La position du pointMest repérée par l"abscissex. La positionx= 0correspond à un ressort non tendu. La variation de la longueur du ressort est alors égale àx; l"allongementcorrespond à des valeurs positives dex, la compression à des valeurs négatives.Figure2.5 - Ressort soumis à une force?F
Au pointMle ressort exerce la tension?T, avec?T=-?F. La force?Fvérifie donc laloi deHooke; sa seule composante est :
F x=kx. Cette composante est positive dans le cas d"un allongement et négative dans le cas d"une compression.L"énergie potentielle élastiqueEpd"un ressort tendu est égale au travailWeffectué par la force
?Fpour allonger (ou comprimer) le ressort d"une longueurx. Comme la force varie au cours du déplacement du point d"applicationM, il faut diviser le déplacement en déplacements élémentairesdxet calculer le travail élémentaire :δW=Fxdx=kxdx.
Ce travail élémentaire est égal à la variation de l"énergie potentielle élastique :
dEp=kxdx?dEpdx=kx. L"énergie élastique est donc une primitive par rapport àxdekx: E p=12 kx2+ constante.ressortsolidexO FTM42Oscillateurs1BCLa constante d"intégration est choisie de sorte que l"énergie élastique d"un ressort non tendu,
c"est-à-dire quandx= 0, soit nulle. Un ressort de raideurkallongé ou comprimé dexpossède donc l"énergie :E p=12 kx2(2.3)2.2.2 Équation différentielle du mouvement
Nous allons maintenant établir l"équation différentielle qui régit le mouvement de l"oscilla-
teur élastique horizontal. Nous allons d"abord nous servir de la relation fondamentale de la dynamique et puis aboutir au même résultat par des considérations énergétiques. Pour simplifier la première approche, nous allons négliger toute force de frottement.Relation fondamentale de la dynamique
La position du solide de massemest repérée par l"abscissexde son centre d"inertie. Onécarte le solide de sa position d"équilibreOet on le lâche; il effectue ensuite des oscillations
autour deO. Les forces qui s"appliquent au solide sont son poids?P, la réaction?Rdu supporthorizontal et la tension?Tdu ressort de raideurk(figure2.6 ).Figure2.6 - Bilan des forces du pendule élastique horizontal
Appliquons le principe fondamental de la dynamique au solide de massem: m?a=X i?Fi=?P+?R+?T. Considérons la projection de cette équation vectorielle dans la direction du mouvement : ma x=Px+Rx+Tx. Comme le mouvement est horizontal, le poids est perpendiculaire à la direction du mouve- ment :Px= 0. La réaction étant perpendiculaire au support, sa projection dans la direction du mouvement est nulle :Rx= 0.L"abscissex, appeléeélongation, est la valeur algébrique de l"écart par rapport à la position
d"équilibreO. La coordonnéeTxde la tension du ressort vérifie la loi de Hooke et est de signe
opposé à celui de l"élongation : T x=-kx.L"équation se réduit à :
ma x=-kx.!TxOressortderaideurksolidedemasse m
PR1BCOscillateurs43Avecax= vx= ¨xet en divisant parm, on obtient l"équation différentielle du mouve-
ment :¨x=-km xLa solution de cette équation différentielle est l"équation horairex(t).Conservation de l"énergie
On peut établir l"équation différentielle du mouvement au moyen de considérations éner-
gétiques en remarquant que l"énergie mécanique du système est conservée en absence de frottements. L"énergie mécaniqueEest la somme de l"énergie cinétiqueEcdu solide et de l"énergie potentielle élastiqueEpdu ressort (relation2.3 ) :E=Ec+Ep=12
mvx2+12 kx2. La conservation de l"énergie mécanique se traduit par :E=constante?dEdt=d12
mvx2+12 kx2dt= 0 d"où : 12 m2vxdvxdt+12 k2xdxdt= 0. Avec dvxdt=ax= ¨xetdxdt=vxl"expression devient : mv x¨x+kxvx= 0. En divisant parmvxet en réarrangeant les termes on retrouve l"équation différentielle du mouvement :¨x=-km
x.2.2.3 Solution de l"équation différentielle
Solution sinusoïdale
Une solution de l"équation différentielle est une fonction du temps; c"est l"équation horaire
x(t)de l"oscillateur.L"expérience
2.1 a mon tréque l"équation horaire du p enduleélastique horizon talest une sinusoïde de la forme (relation 2.1 x(t) =xmsin(ω0t+?).Vérifions qu"une expression sinusoïdale est effectivement solution de l"équation différentielle
du mouvement. En dérivant une première fois par rapport àt: x=xmω0cos(ω0t+?)(2.4)44Oscillateurs1BCet une deuxième fois : ¨x=-xmω02sin(ω0t+?) =-ω02xmsin(ω0t+?) =-ω02x(2.5)on constate que l"équation différentielle du mouvement est vérifiée par l"expression sinusoïdale
sous condition que: 02=km Exercice 2.1Montrer quex(t) =xmcos(ω0t+?)est également solution de l"équation différentielle du mouvement.Après avoir lâché le solide, le pendule effectue des oscillations sans aucune influence de l"ex-
térieur; c"est donc un oscillateur libre. Pour cette raison la constanteω0est appeléepulsation
proprede l"oscillateur.La pulsation propreω0est déterminée par les grandeurs caractéristiques du pendule élastique,
à savoir la raideur du ressort et la masse du solide. L"amplitudexmet la phase initiale?sont déterminées par les conditions initiales.Période propre
L"équation (
2.2 ) relie la pulsation à la période des oscillations. La pulsation propre du penduleélastique est :ω
0=Êk
m ce qui donne pour lapériode propredu pendule élastique :T0=2πω
0= 2πÊm
kVitesse et accélération instantanées
En utilisant les relations (
2.4 ) et ( 2.5 ) on obtient la vitesse : v x= x=xmω0cos(ω0t+?) et l"accélération du solide : a x= ¨x=-xmω02sin(ω0t+?) =-ω02x. Les facteurs qui multiplient les fonctions trigonométriques sont les valeurs maximales de la vitesse : v m=xmω0 et de l"accélération : a m=xmω02.L"accélération est toujours de signe opposé à celui dex. Le vecteur accélération est toujours
dirigé vers la position d"équilibre.1BCOscillateurs45Quand l"oscillateur s"éloigne de sa position d"équilibre, les vecteurs?vet?asont opposés : le
mouvement est freiné. Lorsqu"il se rapproche de la position d"équilibre, les deux vecteurs ont le même sens : le mouvement est accéléré.Exemple: voir figure2.7 .
Conditions initiales
L"amplitudexmet la phase initiale?sont déterminées par les conditions initiales. À l"instant
t= 0, la position estx0=xmsin(?)et la vitessevx0=vmcos(?). Nous allons considérer uniquement les cas particuliers suivants : •x0=±xmetvx0= 0.Le solide est écarté de sa position d"équilibre de l"amplitudexmet puis lâché sans vitesse
initiale. La phase initiale est?=π/2si l"élongation initiale est positive et?=-π/2 si elle est négative. •x0= 0etvx0=±vm. Le solide est lancé depuis sa position d"équilibre avec la vitessevm. La phase initiale est?= 0si cette vitesse est positive et?=πsi elle est négative. L"amplitude est alors donnée parxm=vm/ω0. Exercice 2.2Reprendre cette discussion avecx(t) =xmcos(ω0t+?).Représentations graphiques
Considérons le cas où la phase initiale est?=π/2. Le solide est lâché sans vitesse initiale
depuis la positionx0=xm. La position à l"instanttest donnée par : x=xmsin(ω0t+π/2) =xmcos(ω0t).L"expression pour la vitesse devient :
v x=xmω0cos(ω0t+π/2) =-xmω0sin(ω0t). L"accélération s"exprime en fonction de la position : a x=-ω02x=-xmω02cos(ω0t).La figure
2.7 mon trela représen tationgraphique de x(t),vx(t)etax(t). L"énergie cinétique du solide à l"instanttest donnée par : E c=12 mvx2=12 mxm2ω02sin2(ω0t).quotesdbs_dbs46.pdfusesText_46[PDF] les oses biochimie
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