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Pendule élastique vertical

7 juin 2012

1 Introduction

Gilbert Gastebois, dans une étude remarquable sur le pendule élastique1, commence par cette très judicieuse

remarque :

"Tout élève qui a mesuré la période d"un pendule élastique a étéconfronté à un problème irritant : pour

certaine valeur de la masse accrochée au pendule et malgré tout le soin mis à le faire osciller verticalement, le

pendule se met à balancer de droite à gauche avant de revenir àla verticale, puis à se remettre à balancer et

ainsi de suite.

On interprète souvent ce phénomène par un couplage entre l"oscillation verticale et latérale qui se traduirait

par des battements, mais si c"était le cas, cela devrait toujours exister car les deux périodes sont toujours assez

proches, or le phénomène n"existe que pour des masses voisines de la valeur qui donne une fréquence verticale

double de la fréquence latérale.»

L"étude des oscillations du pendule est très complète dans le document de Gilbert Gastebois, aussi nous

vous invitons à vous y reporter car elle est vraiment unique :impossible de trouver mieux sur le Web! C"est

pourquoi nous n"écrirons que les calculs aboutissant à l"établissement des équations différentielles indispensables

à la simulation du phénomène.

Je rappelle que but premier de tous les documents de ce site est d"illustrer un phénomène physique par

l"utilisation dePSTrickset du packageanimate. La résolution numérique des équations différentielles estfaite

avec la macro\psplotDiffEqndu packagepstricks-add.Un point très important: les données sont écrites

dans un fichier sur le disque, mais cela ne peut se passer correctement que par la modification dans le fichier

pstricks-add.tex de la ligne 1600 : \addto@pscode{\ifPst@saveData Pst@data closefile \fi}

Que l"on remplacera par celle-ci :

%\addto@pscode{\ifPst@saveData Pst@data closefile \fi}

Le % permettant de désactiver cette commande.

Nous donnerons à la fin du document des détails sur l"utilisation de la macro\psplotDiffEqn.

2 Le pendule élastique

2.1 Équations différentielles

xy l0+r k m θO 1

Données :l0est la longueur initiale du ressort (non étiré ni comprimé) etrson allongement (ou son raccourcis-

sement). À un instant quelconque les coordonnées deG, centre de masse de l"objet attaché à l"extrémité libre

du ressort, sont : x= (l0+r)sinθ y=-(l0+r)cosθ On suppose l"objet ponctuel et les frottements négligeables.

Coordonnées de la vitesse :

x= rsinθ+ (l0+r)θcosθ y=-rcosθ+ (l0+r)θsinθ v

2= x2+ y2= (rsinθ+ (l0+r)θcosθ)2+ (-rcosθ+ (l0+r)θsinθ)2

= r2+ (l0+r)2θ2

Énergie cinétique :

T=1

2mv2=12m(x2+ y2)

1

2m(r2+ (l0+r)2θ2)

Énergie potentielle de pesanteur et élastique : U=1

2kr2+mgy

1

2kr2-mg(l0+r)cosθ

Lagrangien du système :

L=T-U 1

2m(r2+ (l0+r)2θ2)-12kr2+mg(l0+r)cosθ

Pour la variableθ:

∂L ∂θ=-mg(l0+r)sinθ ∂L ∂θ=m(l0+r)2θ d dt∂L∂θ= 2m(l0+r)rθ+m(l0+r)2¨θ l"équation de Lagrange s"écrit : m(l0+r)2¨θ+ 2m(l0+r)rθ+mg(l0+r)sinθ= 0

Soit en divisant parm(l0+r)2

¨θ+2rθl0+r+gl0+rsinθ= 0

Pour la variabler:

∂L ∂r=m(l0+r)θ2-kr+mgcosθ ∂L ∂r=mr d dt∂L∂r=m¨r m¨r-m(l0+r)θ2+kr-mgcosθ= 0

¨r-(l0+r)θ2+kmr-gcosθ= 0

2

3 Les courbes

Toutes les courbes ci-après ont été obtenues avec les données suivantes, qui sont celles choisies par Gilbert

Gastebois pour son animation :

\newcommand\parameters{ % Gastebois /M1 0.1 def % masse en kg /l0 0.15 def % longueur à vide en m /K 20 def % raideur du ressort en N/m /G 9.8 def /r0 0.1 def % élongation initiale du ressort en m /theta0 0.02 def % angle initial en rad % pulsation du pendule élastique sqrt(K/m) /wr K M1 div def % wr^2

0,10,2

0 0,4 0,8-0,4-0,8

θ(t)r(t)

0.1

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10-1

t(s)r(t) r 0 3 12 -1 -21 2 3 4 5 6 7 8 9 10-1 t(s)r(t)

0.51.0

-0.5 -1.01 2 3 4 5 6 7 8 9 10-1 t(s)θ(t) 123
-1 -2 -31 2 3 4 5 6 7 8 9 10-1 t(s)

θ(t)

4 -0.1 -0.20.1-0.1xy 12345
-1 -2 -3 -4 -50.4 0.8-0.4-0.8

θ(t)

θ(t)

5

0.51.0

-0.5 -1.00.1 r(t)r(t) 6

4 L"animation

7

5 Les macros de PSTricks

Les courbes et l"écriture du fichier de données(x,y)pour l"animation sont réalisées par la macro depstricks-

add:\psplotDiffEqn. En notation algébrique, nous écrivons : \newcommand\SpringPendulum{ y[2]| y[3]| (l0+y[0])*y[3]^2+G*cos(y[1])-wr*y[0]| \newcommand\conditionsInitiales{r0 theta0 0 0} Sur la pile, les grandeurs sont stockées dans cet ordre : y[0] y[1] y[2] y[3] r theta r" theta" La sauvegarde des données pour l"animation se fait avec l"optionsaveData: \begin{center} \begin{pspicture}(-5,-13)(5,1) \uput[r](5,0){$x$} \uput[u](0,1){$y$} \psline{<->}(5,0)(0,0)(0,1) \pstVerb{ /Pi 3.1415926 def /deg2rad {180 div Pi mul} def /rad2deg {180 mul Pi div} def \parameters}% \psplotDiffEqn[plotfuncx=y dup 0 get l0 add exch 1 get rad2deg sin mul, plotfuncy=dup 0 get l0 add exch 1 get rad2deg cos mul neg, linecolor=blue, method=rk4,unit=50, saveData,filename=SPXYG.dat, \end{pspicture} \end{center} 8quotesdbs_dbs2.pdfusesText_3