TP 2 Pendule élastique vertical - LNW
1re B et C TP 2 : Pendule élastique vertical 2 * Système hors de sa position d’équilibre, à une date t quelconque du mouvement Considérons le passage de G en un point quelconque de hauteur z La longueur du ressort s’écrit dans tous les cas (G au-dessus de G 0, ou au-dessous): l = l éq z
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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 été confronté à un problème irritant : pour
Exercice 1 (6½ points) Oscillations dun pendule élastique
2-1) Déterminer, à un instant t, l'expression de l'énergie mécanique du système (pendule, Terre) 2-2) Déterminer l'équation différentielle du second ordre en qui décrit le mouvement du pendule 2-3) En déduire l'expression de la pulsation propre ' 0 de ce pendule, puis donner celle de sa période propre T' 0 en fonction de L et g
Exercices d application: 1er Exercice : Pendule élastique
1er Exercice : Pendule élastique vertical: On considère un pendule élastique vertical constitué d'un ressort de constante de raideur k=20N/m et d'un corps solide de masse m=200g On écarte le corps S verticalement vers le bas à partir de sa position d'équilibre d'une distance égale à 3cm et on le lâche sans vitesse initiale
Niveaux: SM PC SVT Matière: Physique PROF :Zakaryae Chriki
Si le pendule élastique est horizontal alors Δℓ =x alors 櫛径祁 = 層 匝 沓 景²+ 隅 On considère le plan vertical passant par la position d’équilibre comme repère de l’énergie potentielle élastique x=0 et Epe =0 d’où C=0 alors 櫛径祁 = 層 匝 沓 景² La constante C est déterminé à partir d’un cas référentiel
Chapitre 5: Oscillations d’un pendule élastique horizontal
5 Oscillations d'un pendule élastique horizontal b) Etablissement de l'équation différentielle à partir de la conservation de l'énergie mécanique * En classe de 2e, nous avons montré que l'énergie mécanique d'un oscillateur harmonique est conservée : 2 2 x 1 1 E kx mv constant 2 2
P : OSCILLATIONS MÉQUANIQUES
1 Pendule élastique horizontal : Considérons un solide de masse m qui glisse sans frottements sur un plan horizontal Il est relié à l’une des extrémités d’un ressort de raideur K, l’autre extrémité étant fixe a Équation différentielle :
PENDULE SIMPLE PENDULE DE TORSION
Pendule élastique de torsion On considère un pendule de torsion constitué d'un fil, de constante de torsion C, et d'une tige fixée en son centre Étude dynamique Si l'on écarte la tige de sa position d'équilibre et qu'on la libère, elle se met à osciller autour de sa position d'équilibre
leçon 19 physique les systèmes mécaniques oscillants
1 2) Application : pendule vertical Soit un pendule élastique horizontal formé d’un corps (C) de masse m et d’un ressort de masse négligeable et de raideur K Question : trouver l’équation différentielle du mouvement ? -- il faut faire un schéma à trois positions : -- à vide (ressort seul) , les allongements sont mesurés
Chapitre 5: Oscillations d’un pendule élastique horizontal
1re B et C 5 Oscillations d'un pendule élastique horizontal 48 b) Etablissement de l'équation différentielle à partir de la conservation de l'énergie mécanique * En classe de 2e, nous avons montré que l'énergie mécanique d'un oscillateur harmonique est conservée : 2 2 x 1 1 E kx mv constant 2 2
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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 θO1.http://gilbert.gastebois.pagesperso-orange.fr/java/pend_danse/theorie_pendule_dansant.htm
1Données :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 v2= x2+ y2= (rsinθ+ (l0+r)θcosθ)2+ (-rcosθ+ (l0+r)θsinθ)2
= r2+ (l0+r)2θ2Énergie cinétique :
T=12mv2=12m(x2+ y2)
12m(r2+ (l0+r)2θ2)
Énergie potentielle de pesanteur et élastique : U=12kr2+mgy
12kr2-mg(l0+r)cosθ
Lagrangien du système :
L=T-U 12m(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= 0Soit 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
23 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^20,10,2
0 0,4 0,8-0,4-0,8
θ(t)r(t)
0.10 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)
50.51.0
-0.5 -1.00.1 r(t)r(t) 64 L"animation
75 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]| -2*y[2]*y[3]/(l0+y[0])-G*sin(y[1])/(l0+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) \psgrid[subgriddiv=0,griddots=10,gridlabels=0pt](-5,-13)(5,1) \psaxes[dx=5,Dx=0.1,dy=5,Dy=.1](0,0)(-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} defquotesdbs_dbs2.pdfusesText_2