\subsection{Relatifs à la conversion d'unités et à la notation scientifique}
\begin{ex}\label{centaure}
Alpha du Centaure\index{Alpha du Centaure} C est l'étoile la plus proche de nous. Elle se situe à \unit{4,238}{AL} de nous. Combien de \kilo\metre cela fait-il ? Exprimez le résultat en notation scientifique. Combien de parsec\index{parsec} (pc) cela fait-il ? Réponse : \unit{1,33}{pc}.
\begin{sol}
Comme le nombre de \kilo\metre est 1000 fois plus petit que le nombre de mètres et que \(\unit{1}{AL}=\unit{9,46\cdot10^{15}}{\metre}\), on a :
Quelle est la distance Terre-Soleil en \kilo\metre, en UA et en AL ? Entre nous et l'étoile (autre que le Soleil) la plus proche, combien de fois peut-on mettre cette distance ? Réponses : \unit{1,496\cdot 10^{8}}{\kilo\metre}, \unit{1}{UA}, \unit{16}{\micro AL} et \(268'228\,\times\).
\begin{sol}
La distance Terre-Soleil vaut \unit{1,496\cdot 10^{11}}{\metre}. On a donc :
Alpha du Centaure se trouve donc à \(268'228\,\times\) la distance Terre-Soleil.
\end{sol}
\end{ex}
\begin{ex}
Combien y a-t-il de fois la distance entre nous et Alpha du Centaure dans le diamètre de notre galaxie la Voie Lactée (\(\phi_{galaxie}=\unit{80'000}{AL}\))? Réponse : \(18'877\,\times\).
\begin{sol}
Le diamètre de notre galaxie est de \unit{80'000}{AL}. L'exercice \ref{centaure} nous indique que la distance à Alpha du Centaure vaut \unit{4,238}{AL}. Ainsi, on a :
\[\frac{80'000}{4,238}=18'877\,\times\]
Le diamètre de la galaxie représente donc \(18'877\,\times\) la distance à l'étoile la plus proche de nous.
\end{sol}
\end{ex}
\begin{ex}
Sous quel angle (en \degree, en \arcminute et en \arcsecond) voit-on le diamètre de la Lune depuis la Terre ($R_{Lune}=0,2725\cdot R_{Terre}$ ; $d_{Terre-Lune}=\unit{3,84\cdot10^{8}}{\metre}$). Réponses : \unit{0,5157}{\degree}, \unit{31}{\arcminute} et \unit{1860}{\arcsecond}.
\begin{sol}
La distance Terre-Lune est beaucoup plus grande que le diamètre de la Lune. L'angle est donc petit et on peut écrire la relation d'arc donnée par l'équation \ref{relationdarc} :
La matière interstellaire est constituée de gaz neutre (hydrogène atomique et moléculaire), de gaz ionisé, de poussières et de particules cosmiques (électrons, protons, ...). La densité d'un nuage de gaz neutre est de \unit{0,1\cdot 10^4}{atomes\per\centi\metre\cubed}. Combien cela fait-il d'atomes par \metre\cubed ? Par \litre ? Réponses : \(10^9\,\text{atomes}\) et \(10^6\,\text{atomes}\).
\begin{sol}
Dans \unit{1}{\metre\cubed}, on trouve \unit{1000}{\deci\metre\cubed} et \unit{10^6}{\centi\metre\cubed}. Ainsi, dans \unit{1}{\metre\cubed}, on trouve un million de fois plus d'atomes que dans \unit{1}{\centi\metre\cubed}. On a donc par \metre\cubed :
La première mesure du rayon de la Terre à été faite à Alexandrie\index{Alexandrie} en 235 avant notre ère par Eratosthène\index{Eratosthene@Ératosthène}\footnote{Voir ``Mécanique'', Éric Lindemann, DeBoeck Université, 1999, p. 15,16.}. La méthode qu'il a utilisée est très simple. Il a tout d'abord observé qu'un certain jour de l'année le Soleil éclairait le fond d'un puits à Syène. Il en a déduit qu'à ce moment-là les rayons du Soleil alors parfaitement au zénith\index{zenith@zénith}, pointaient directement vers le centre de la Terre (voir figure \ref{Erathostene}). Par ailleurs, il a mesuré au même moment l'angle fait par ces mêmes rayons au sommet d'un bâton planté 5000 stades plus au nord, à Alexandrie. Comme le montre le schéma \ref{Erathostene}, cet angle est l'angle au centre de la Terre que fait l'arc de cercle déterminé par la partie de méridien entre Syène et Alexandrie. Connaissant cet angle (\(\alpha=\unit{7,5}{\degree}\)) et la longueur de l'arc de cercle (\(L =\unit{5000}{stades}\)), il en déduisit le rayon de la Terre\index{rayon de la Terre} avec une précision extraordinaire pour l'époque : 4 \% d'écart avec la valeur connue aujourd'hui.
Sachant qu'un stade valait environ \unit{160}{\metre} d'aujourd'hui, calculez le rayon R de la Terre obtenu par Eratosthène. Réponse : \unit{6'111,55}{\kilo\metre}.
\begin{figure}[ht]
\caption{Le rayon de la Terre par Eratosthène\label{Erathostene}}
\smallskip{}
\begin{center}
\input{Annexe-Exercices/Images/Erathostene}
\end{center}
\end{figure}
\begin{sol}
La relation d'arc donnée par l'équation \ref{relationdarc} nous permet d'écrire :
\subsection{Relatifs aux notions de déplacement, position et distance parcourue}
\begin{ex}
Un objet se déplace de la position \(x =\unit{0}{\metre}\) à \(x =\unit{10}{\metre}\), puis à \(x =\unit{11}{\metre}\), puis à \(x =\unit{-5}{\metre}\). Calculez le déplacement total et la distance totale parcourue. Réponses : \unit{-5}{\metre} et \unit{27}{\metre}.
\begin{sol}
Par définition, le déplacement se calcule par :
\[D=\Delta x=x_f-x_i=-5-0=\unit{-5}{\metre}\]
Et la distance parcourue est la distance réellement effectuée :
\[d=10+1+11+5=\unit{27}{\metre}\]
\end{sol}
\end{ex}
\begin{ex}
Le conducteur d'une automobile qui se déplace à \unit{120}{\kilo\metre\per\hour} est inattentif pendant deux secondes. Quelle distance a-t-il parcourue pendant ce temps ? Réponse : \unit{66,6}{\metre}.
\begin{sol}
Pour passer de \kilo\metre\per\hour en \metre\per\second, il faut diviser par un facteur de 3,6. En effet :
Ainsi, la distance parcourue en deux secondes est :
\[d=v\cdot t=33,3\cdot2=\unit{66,6}{\metre}\]
\end{sol}
\end{ex}
\begin{ex}
La position en mètres d'un objet est donné par l'équation suivante :
\[x=\begin{cases}
2\cdot t&si\,0\leq t\leq4s\\
8&si\,4\leq t\leq6s\\
-2\cdot t+20&si\,6\leq t\leq10s
\end{cases}\]
Calculez le déplacement et la distance parcourue au bout de \unit{10}{\second}. Réponses : \unit{0}{\metre} et \unit{16}{\metre}.
\begin{sol}
Comme la position au bout de \unit{10}{\second} se calcule par :
\[x(10\,s)=-2\cdot10+20=\unit{0}{\metre}\]
le déplacement est donné par :
\[D=\Delta x=x_f-x_i=0-0=\unit{0}{\metre}\]
Selon l'équation de la position donnée ici, le mouvement de l'objet est le suivant :
\begin{enumerate}
\item à la vitesse constante de \unit{2}{\metre\per\second} l'objet se déplace pendant \unit{4}{\second},
\item il s'arrête de \unit{4}{} à \unit{6}{\second} et
\item il revient en arrière à la vitesse de \unit{-2}{\metre\per\second} de \unit{6}{} à \unit{10}{\second}.
\end{enumerate}
Ainsi, l'objet parcourt dans un premier temps \(2\cdot4=\unit{8}{\metre}\) en avant et dans un second temps \unit{8}{\metre} en arrière. La distance parcourue est donc :
\[d=8+8=\unit{16}{\metre}\]
\end{sol}
\end{ex}
\begin{ex}
Deux trains se dirigent l'un vers l'autre sur une même voie. Ils se déplacent à \unit{100}{\kilo\metre\per\hour} par rapport au sol. Si la distance initiale qui les séparait était de \unit{12}{\kilo\metre}, combien de temps auront-ils roulé quand aura lieu l'accident ? Réponse : \unit{0,06}{\hour}.
\begin{sol}
Deux raisonnements sont possibles :
\begin{itemize}
\item On s'imagine être dans un train qu'on ne voit pas bouger. Sa vitesse par rapport à nous est nulle. L'autre train se trouve au départ à une distance de \unit{12}{\kilo\metre} et se déplace par rapport à nous à une vitesse relative de \unit{200}{\kilo\metre\per\hour} (sa vitesse et notre vitesse sont cumulées). Ainsi, on peut écrire :
\item On définit le zéro du système d'axes à la position du premier train au moment où ils sont séparés de \unit{12}{\kilo\metre}. L'équation de la position du premier train est alors :
\[x_1=100\cdot t\]
Comme la position initiale du second train vaut \unit{12}{\kilo\metre} et qu'il s'approche, sa vitesse est négative et l'équation de sa position au cours du temps est :
Le premier raisonnement se fait par rapport à l'un des objets en mouvement. Il est dit relatif. Le second raisonnement se fait par rapport à un référentiel commun : le sol. Il est dit absolu.
Mais quel que soit le référentiel, le résultat est le même.
\end{sol}
\end{ex}
\begin{ex}
Une voiture dont la vitesse est de \unit{110}{\kilo\metre\per\hour} se trouve \unit{600}{\metre} derrière un camion dont la vitesse vaut \unit{80}{\kilo\metre\hour}. Combien de temps mettra-t-elle pour rattraper le camion ? Réponse : \unit{0,02}{\hour}.
\begin{sol}
Deux raisonnements sont possibles :
\begin{itemize}
\item On s'imagine être dans le camion qu'on ne voit pas bouger. Sa vitesse par rapport à nous est nulle. La voiture, elle, se trouve au départ à une distance de \unit{0,6}{\kilo\metre} et se déplace par rapport à nous à une vitesse relative de \(110-80=\unit{30}{\kilo\metre\per\hour}\) (sa vitesse est diminuée de notre vitesse, puisqu'on la fuit). Ainsi, on peut écrire :
\item On définit le zéro du système d'axes à la position de la voiture au moment où la voiture et le camion sont séparés de \unit{0,6}{\kilo\metre}. L'équation de la position de la voiture est alors :
\[x_v=110\cdot t\]
Comme la position initiale du camion vaut \unit{0,6}{\kilo\metre} et qu'il va dans la même direction que la voiture, l'équation de sa position au cours du temps est :
Le premier raisonnement se fait par rapport à l'un des objets en mouvement. Il est dit relatif. Le second raisonnement se fait par rapport à un référentiel commun : le sol. Il est dit absolu.
Mais quel que soit le référentiel, le résultat est le même.
\end{sol}
\end{ex}
\subsection{Relatifs à la notion de vitesse}
\begin{ex}
Quelle est notre vitesse de rotation approximative à la surface de la Terre ? N'utilisez pas votre machine à calculer et faites tous vos calculs en notation scientifique. Réponse : \unit{1'600}{\kilo\metre\per\hour}.
\begin{sol}
On sait que le rayon de la Terre vaut environ \unit{6'400}{\kilo\metre}. Sa circonférence vaut donc :
Ce qui correspond à un écart (équation \ref{defecart}) de :
\[e=\frac{1668-1600}{1668}\cdot100=4\%\]
Ce qui est un bon écart, compte tenu des grosses approximations faites.
\end{sol}
\end{ex}
\begin{ex}
Un joueur de pétanque tire la boule d'un adversaire. Celle-ci se trouve à \unit{9}{\metre} de lui. En supposant que la boule se déplace en ligne droite, à vitesse constante et que le joueur entende le bruit du carreau sur la boule adverse \unit{1,2}{\second} après l'avoir lancée, trouvez la vitesse de la boule. Le son se propage à une vitesse de \unit{343}{\metre\per\second}. Réponse : \unit{7,666}{\metre\per\second}.
\begin{sol}
Le temps donné \(t_{tot}\) est constitué du temps \(t_{boule}\) mis par la boule pour aller frapper celle de l'adversaire et du temps \(t_{son}\) mis par le son pour revenir se faire entendre par le joueur. On a donc :
\[t_{tot}=1,2=t_{boule}+t_{son}\]
Or, pour avoir la vitesse de la boule sur les \unit{9}{\metre} de son parcours, il nous faut \(t_{boule}\). Pour cela, il faut donc calculer \(t_{son}\), qui est le temps mis pas le son pour parcourir \unit{9}{\metre} à la vitesse de \unit{343}{\metre\per\second} :
Un objet se déplace de \(x_{1}=\unit{3,6}{\centi\metre}\) à \(x_{2}=\unit{-5,2}{\centi\metre}\) dans l'intervalle de temps entre \(t_{1}=\unit{3}{\second}\) et \(t_{2}=\unit{6,8}{\second}\). Déterminez sa vitesse moyenne. Réponse : \unit{-2,32}{\centi\metre\per\second}.
\begin{sol}
Par définition de la vitesse moyenne, on a tout simplement :
Quelle est la vitesse de rotation de la Terre autour du Soleil en \unit{}{\kilo\metre\per\second} ? La distance Terre-Soleil est de une unité astronomique (\unit{1}{UA} : le tableau \ref{grandeurs}, page \pageref{grandeurs} en donne la correspondance dans l'unité du système international) et on suppose le mouvement circulaire. Réponse : \unit{29,8}{\kilo\metre\per\second}.
\begin{sol}
Le rayon du cercle parcouru par le Soleil vaut donc en mètres :
Comme la période de rotation \(T\), c'est-à-dire le temps mis par la Terre pour faire un tour autour du Soleil, est d'une année, soit \unit{365}{jours}, la vitesse moyenne est :
Grâce à la modélisation par ordinateur du squelette et des muscles des dinosaures\endnote{Voir l'article complet à l'adresse : \url{http://rspb.royalsocietypublishing.org/content/274/1626/2711} ou un lien à l'adresse \url{http://dinonews.net/rubriq/articles.php5?ref=2007\_sellers\_speed}}, la longueur de la foulée du velociraptor a été établie à \unit{3,058}{\metre} et celle du tyranosaure à \unit{9,559}{\metre}. Le temps d'un cycle de marche a quant à lui été estimé à \unit{0,284}{\second} pour le velociraptor et \unit{1,199}{\second} pour le tyranosaure. Calculez la vitesse de ces deux dinosaures dans les unités du système international. Quelle vitesse cela représente-t-il en \unit{}{\kilo\metre\per\hour} ? Vous pouvez comparer ces vitesses à celle du sprinter de l'exercice \ref{vitsprinter}. Réponses : \(\unit{10,8}{\metre\per\second}=\unit{38,8}{\kilo\metre\per\hour}\) et \(\unit{8}{\metre\per\second}=\unit{28,7}{\kilo\metre\per\hour}\).
La comparaison montre que la vitesse d'un sprinter (\(\unit{10}{\metre\per\second}=\unit{36}{\metre\per\second}\) est légèrement inférieure à celle d'un velociraptor.
\end{sol}
\end{ex}
\subsection{Relatif à la notion d'accélération}
\begin{ex}
Une voiture roulant à \unit{50}{\kilo\metre\per\hour} freine soudainement pour ne pas heurter un piéton. Si la décélération maximale moyenne que ses pneus peuvent lui permettre est de \unit{-3}{\metre\per\second\squared} (route mouillée), en combien de temps s'arrêtera-t-elle ? Réponse : \unit{4,63}{\second}.
Calculez l'accélération moyenne d'un sprinter\footnote{{}The physics of sports, A. Armenti, New York, 1992, p. 112.} qui parvient à une vitesse de \unit{10}{\metre\per\second} en \unit{9,9}{\second}. Réponse : \unit{1,01}{\metre\per\second\squared}.
A l'instant \(t =\unit{3}{\second}\), une particule se trouve en \(x =\unit{7}{\metre}\) à la vitesse de \unit{4}{\metre\per\second}. A \(t =\unit{7}{\second}\), elle est en \(x =\unit{-5}{\metre}\) à la vitesse de \unit{-2}{\metre\per\second}. Calculez sa vitesse et son accélération moyennes. Réponses : \unit{-3}{\metre\per\second} et \unit{-1,5}{\metre\per\second\squared}.
Une voiture se déplace à la vitesse constante de \unit{50}{\kilo\metre\per\hour} pendant \unit{5}{\minute}. Esquissez les graphes horaires de la position, de la vitesse et de l'accélération pendant cette période. Quelle est la distance totale parcourue ? Par quelle grandeur cette distance est-elle représentée sur le graphe de la vitesse en fonction du temps ? Réponse : \unit{4'167}{\metre}.
\begin{sol}
Les graphes sont présentés à la figure \ref{graphesmru}.
\begin{figure}[!t]
\centering
\caption{Graphes horaires du MRU.\label{graphesmru}}
\includegraphics{GraphesMRU.eps}
\end{figure}
La distance totale parcourue se calcule simplement :
Sur le graphe de la vitesse en fonction du temps, la distance parcourue apparaît simplement être l'aire sous le graphe. En effet, la base \(t=5\cdot60=\unit{300}{\second}\) multipliée par la hauteur \(v=50/3,6=\unit{13,9}{\metre\per\second}\) donne bien la distance parcourue.
\end{sol}
\end{ex}
\begin{ex}
Une voiture de sport se déplaçant à la vitesse constante de \unit{160}{\kilo\metre\per\hour} est prise en chasse par une voiture de police alors que celle-ci à \unit{1}{\kilo\metre} de retard. Pour rattraper la voiture de sport, la voiture de police prend très rapidement une vitesse de \unit{180}{\kilo\metre\per\hour}. Au bout de combien de temps et de quelle distance la police rattrapera la voiture de sport ? Réponses : \unit{0,05}{\hour} et \unit{9}{\kilo\metre}.
\begin{sol}
On va décrire mathématiquement le mouvement des voitures de sport et de police.
Les deux mouvements sont des MRU. On peut donc écrire, dans un système d'axes dont l'origine est sur la voiture de police au moment où elle entame sa poursuite :
Une voiture de police à l'arrêt démarre la poursuite d'un chauffard lorsque celui-ci la dépasse à une vitesse de \unit{144}{\kilo\metre\per\hour}. Son accélération est alors de \unit{5}{\metre\per\second\squared}. En combien de temps et sur quelle distance rattrape-t-elle le chauffard ? Quelle est alors sa vitesse ? Réponses : \unit{16}{\second}, \unit{640}{\metre} et \unit{288}{\kilo\metre\per\hour}.
\begin{sol}
Ici, aucune symétrie n'est présente. Comme les deux voitures ne sont pas à vitesse constante, on ne peut calculer de vitesse relative pour résoudre le problème. Il faut donc procéder en décrivant les deux mouvements par rapport au sol. Ainsi, avec \(\unit{144}{\kilo\metre\per\hour}=\unit{40}{\metre\per\second}\), on peut écrire :
Une voiture entre en collision frontalement avec un arbre. Sa vitesse juste avant le choc était de \unit{50}{\kilo\metre\per\hour}. Elle est stoppée net sur une distance de \unit{1,5}{\metre} (le moteur est complètement écrasé).
Calculez la valeur de l'accélération (ici une décélération), exprimez-la comme un multiple de l'accélération terrestre \(g\) (\(g =\unit{9,81}{\metre\per\second\squared}\)) et calculez le temps que dure la collision. Réponses : \(\unit{-64,3}{\metre\per\second\squared}=-6,55\cdot g\) et \unit{0,216}{\second}.
\begin{sol}
On fait l'hypothèse d'un MRUA. La voiture est stoppée sur une distance de \unit{1,5}{\metre}. On peut donc écrire :
Le chauffeur d'une voiture roulant à \unit{40}{\metre\per\second} aperçoit soudain un kangourou \unit{70}{\metre} devant lui. Quel sera l'avenir de l'animal si le temps de réaction du chauffeur est de \unit{0,8}{\second} et sa décélération maximale de \unit{8}{\metre\per\second\squared} ? Réponse : bien sombre.
\begin{sol}
Oublions la position du kangourou et calculons la distance totale d'arrêt \(d_t\). Elle se compose de la distance de réaction \(d_r\) et la distance de freinage \(d_f\) :
\[d_t=d_r+d_f\]
Pour la distance de réaction, on a :
\[d_r=v\cdot t=40\cdot0,8=\unit{32}{\metre}\]
Pour la distance de freinage, il faut faire l'hypothèse d'un MRUA. Comme le mouvement est une décélération, c'est-à-dire un freinage, l'accélération est négative, et on a :
\begin{align*}
v^2&=v_o^2+2\cdot a\cdot d_f\;\Rightarrow\\
0^2&=40^2+2\cdot (-8)\cdot d_f\;\Rightarrow\\
d_f&=\frac{40^2}{16}=\unit{100}{\metre}
\end{align*}
Ainsi, la distance totale d'arrêt vaut :
\[d_t=32+100=\unit{132}{\metre}\]
Comme le kangourou se trouve à \unit{70}{\metre}, son avenir serait bien sombre s'il n'avait pas cette prodigieuse capacité à rebondir.
\end{sol}
\end{ex}
\begin{ex}
Un plongeur capable de sauter sur place très haut peut s'élever de \unit{50}{\centi\metre}. Quelle doit être sa vitesse initiale (supposez que le mouvement est un MRUA d'accélération \(g =\unit{9,81}{\metre\per\second\squared}\))? Un dauphin peut s'élever lui \unit{6}{\metre} au-dessus de l'eau. Quelle est sa vitesse verticale initiale ? Réponses : \unit{11,3}{\kilo\metre\per\hour} et \unit{39}{\kilo\metre\per\hour}.
\begin{sol}
Un objet qui n'est soumis qu'à son poids est en chute libre, même s'il monte. Ainsi, l'accélération du plongeur, comme du dauphin, dans sa phase d'ascension vaut \unit{-9,81}{\metre\per\second\squared}. En effet, on a une décélération. Comme celle-ci est constante et que la vitesse au sommet est nulle, on peut écrire pour le plongeur :
Un plongeur s'élance du haut de la plate-forme des dix mètres d'un plongeoir.
\begin{enumerate}
\item Combien de temps met-il pour arriver dans l'eau s'il se laisse tomber ?\label{caspremier}
\item Combien de temps met-il pour arriver dans l'eau si sa vitesse initiale est horizontale et vaut \unit{1}{\metre\per\second} ?
\item Combien de temps met-il pour arriver dans l'eau si sa vitesse initiale est verticale vers le haut et vaut \unit{1}{\metre\per\second} ?\label{castroisieme}
\end{enumerate}
Dans les cas \ref{caspremier} et \ref{castroisieme}, à quelle vitesse arrive-t-il dans l'eau ? Réponses : \unit{1,43}{\second}, \unit{1,43}{\second} et \unit{1,53}{\second}.
\begin{sol}
Le plongeur est en chute libre. Son accélération vaut donc \(g=\unit{9,81}{\metre\per\second\squared}\). On fixe un axe vertical dont l'origine se situe à \unit{10}{\metre} et qui pointe vers le bas. On peut alors écrire :
Le premier et le second cas ne sont pas différents du point de vue du temps de chute. Néanmoins, la distance parcourue par le plongeur qui se déplace horizontalement est plus grande que celle du plongeur qui se laisse tomber. Mais sa vitesse totale (horizontale et verticale) est aussi plus grande. On peut ainsi comprendre qu'ils arriveraient en bas simultanément s'ils partaient en même temps.
Le troisième cas est plus complexe puisqu'il faut tenir compte d'une vitesse \(v_o=\unit{-1}{\metre\per\second}\) dans le sens contraire de l'axe :
Évidemment, la solution négative est à rejeter et la solution positive est supérieure au temps de chute calculé précédemment puisque le plongeur parcourt une certaine distance vers le haut avant de tomber.
En ce qui concerne la vitesse, dans le troisième cas on peut simplement déterminer la vitesse par :
Ce qui donne la même valeur que précedemment en raison de la faible vitesse verticale initiale et de l'arrondi. Celle-ci doit cependant être comptée et doit l'être négativement (\(v_o=\unit{-1}{\metre\per\second}\)), car elle est vers le haut alors que l'axe est vers le bas.
\end{sol}
\end{ex}
\begin{ex}
Un objet est lâché à la surface de la terre d'une hauteur h. Déterminez la vitesse à laquelle il arrive au sol en fonction de h et de g. Réponse : \(\sqrt{2\cdot g\cdot h}\).
\begin{sol}
Cet objet est en chute libre. Son accélération vaut donc \(g\). On peut écrire pour un MRUA :
\begin{align*}
v^2&=v_o^2+2\cdot a\cdot h\;\Rightarrow\\
v&=\sqrt{2\cdot g\cdot h}
\end{align*}
\end{sol}
\end{ex}
\begin{ex}
Une voiture de course tente d'arriver en \unit{4}{\second} à \unit{100}{\kilo\metre\per\hour} départ arrêté. Déterminez quelle accélération (supposée constante) il lui faut pour cela et la distance qu'elle va parcourir. Réponses : \unit{6,94}{\metre\per\second\squared} et \unit{55,56}{\metre}.
Une moto passe de \unit{50}{\kilo\metre\per\hour} à \unit{100}{\kilo\metre\per\hour} sur une distance de \unit{59}{\metre}. A combien de \(g\) son conducteur est-il soumis ? Réponse : un demi \(g\).
Ce qui représente une accélération d'un demi \(g\).
\end{sol}
\end{ex}
\begin{ex}
Un plongeur s'élance de la plate-forme des cinq mètres avec une vitesse horizontale de \unit{2}{\metre\per\second}.
\begin{enumerate}
\item Combien de temps mettra-t-il pour arriver dans l'eau ?
\item Si on suppose sa vitesse horizontale constante, à quelle distance du pied du bord de la plate-forme arrivera-t-il dans l'eau ?
\end{enumerate}
Réponses : \unit{1,01}{\second} et \unit{2,02}{\metre}.
\begin{sol}
Le temps de chute est le même que celui d'un objet tombant verticalement. En effet, seul le poids est présent et l'objet est en chute libre. Ainsi, on peut écrire :
Une petite fusée d'enfant a pour deux minutes de carburant. Elle s'élève dans les airs à une vitesse moyenne de \unit{3}{\metre\per\second} pendant la phase de poussée. A la fin de cette phase, sa vitesse atteint \unit{4}{\metre\per\second} (son accélération n'est pas constante durant cette première phase). Calculez à quelle hauteur elle s'est élevée et combien de temps à duré son vol. Réponses : \unit{360,8155}{\metre} et \unit{128,98}{\second}.
\begin{sol}
Commençons par calculer la distance qu'elle a parcouru pendant la phase de poussée. Pour cela, on a la vitesse moyenne \(\overline{v}\) et le temps que dure le mouvement. Ainsi, on peut poser :
A ce moment-là, au bout de deux minutes et à \unit{360}{\metre} d'altitude, la poussée cesse (le moteur s'arrête). Si on imagine un axe \(y\) orienté vers le haut et dont l'origine se situe au sol, on a donc une fusée qui se situe en \(y_o=\unit{360}{\metre}\) avec une vitesse \(v_o=\unit{4}{\metre\per\second}\) et qui n'est plus soumise qu'à son poids. Elle est donc en chute libre, même si elle monte, et son accélération dirigée vers le bas, dans le sens contraire du mouvement, est une décélération qui vaut : \(g=\unit{-9,81}{\metre\per\second\squared}\). Pendant quelques instants, elle va donc encore monter jusqu'à s'arrêter. Pour calculer la distance sur laquelle elle s'arrête, comme on ne dispose pas du temps qu'elle met pour le faire, on doit écrire :
Ainsi la hauteur totale à laquelle est parvenue la fusée vaut :
\[h_{tot}=360+0,8155=\unit{360,8155}{\metre}\]
Pour déterminer le temps de vol, on dispose en premier lieu du temps de poussée qui est de deux minutes. Il faut encore calculer le temps de chute de la fusée entre le moment ou la poussée cesse et celui ou elle arrive au sol. Pour cela, il faut écrire :
\subsection{Relatifs à la physique aristotélicienne}
\begin{ex}
Un scooter se déplaçant à la vitesse de \unit{5}{\kilo\metre\per\hour} sur un lac gelé horizontal tire verticalement un petit obus éclairant. Il monte et retombe en \unit{2}{\second}. Déterminez, selon la théorie aristotélicienne du mouvement son lieu d'atterrissage sur le lac. A ce moment-là, déterminez sa distance au scooter. Réponse : \unit{2,76}{\metre}.
\begin{sol}
Pour Aristote, au moment où l'obus est sorti du canon, plus aucune action horizontale vers l'avant ne s'exerce sur lui. Il cessera donc de se déplacer horizontalement et retombera exactement là où il a quitté le canon.
Pendant l'élévation et la chute de l'obus, le scooter avance à vitesse constante. La distance dont il s'est déplacé par rapport à l'obus (qui n'a selon Aristote pas bougé horizontalement) est donc de :
La vigie d'un trois-mâts laisse tomber son couteau. Il met \unit{0,8}{\second} pour arriver sur le pont. Le bateau se déplace à \unit{8}{\kilo\metre\per\hour}. Selon la théorie d'Aristote, déterminez à quelle distance du pied du mât il va se planter. Réponse : \unit{1,78}{\metre}.
\begin{sol}
Rappelons que selon Aristote, dès le moment où on a lâché le couteau, plus aucune force horizontale ne s'exerce sur lui et il va tomber parfaitement verticalement. Or, le bateau avance pendant ce temps. La distance au pied du mât à laquelle tombe le couteau est donc de :
Un touriste visitant Paris laisse tomber une pièce de cinq francs du haut du premier étage de la Tour Eiffel. En tenant compte de la vitesse de Paris autour le l'axe de rotation de la Terre et selon la cinématique d'Aristote, calculez la distance au pied du point de chute à laquelle la pièce va arriver au sol. Le temps de chute est de \unit{2,1}{\second} et la latitude de Paris vaut \(\beta=\unit{48}{\degree}\unit{48}{\arcminute}\). On ne tiendra compte que du déplacement de Paris dû à la rotation de la Terre sur elle-même. Réponse : \unit{640,5}{\metre}.
\begin{sol}
Pour connaître la vitesse de rotation de la Terre à Paris, il faut connaître la distance parcourue en \unit{24}{\hour}. Pour cela, il faut connaître sa distance \(r\) à l'axe de rotation de la Terre (voir figure \ref{eiffelmecanique}).
\begin{figure}[!t]
\centering
\caption{Chute aristotélicienne de la tour Eiffel.\label{eiffelmecanique}}
\includegraphics{EiffelMecanique.eps}
\end{figure}
On a d'après la figure \ref{eiffelmecanique} que :
et, selon Aristote, pendant la chute de la pièce, la Tour Eiffel devrait s'être déplacée de :
\[d=v\cdot t=305\cdot2,1=\unit{640,5}{\metre}\]
Ce n'est évidemment pas le cas. L'inertie de la pièce l'en empêche.
\end{sol}
\end{ex}
\subsection{Relatifs à la physique newtonienne}
Pour résoudre un problème de mécanique newtonienne, aucune méthode n'est prescrite. Cependant, dans la mesure où le problème est bien posé (c'est là une étape particulièrement difficile à réaliser et pour laquelle il faut rester ouvert à toute bonne idée), une suite d'opérations assez bien définie permet de résoudre clairement le problème.
Attention, cette ``procédure\index{procédure}'', qui présente beaucoup d'avantages, est aussi assez stricte pour éliminer des idées originales parfaitement valables et efficaces. Il faut donc l'utiliser sans dogmatisme. Elle consiste en ce qui suit :
\bigskip
\begin{boiteepaisseavecuntitre}
{ Méthode de résolution des problèmes }
\begin{description}
\item[Choisir le système.] C'est l'étape la plus importante. Elle est fondamentale, car c'est du choix du système que dépend la possibilité d'exprimer les grandeurs nécessaires à la résolution du problème. En particulier, il faut choisir le système de manière à éliminer, dans la mesure du possible, les grandeurs qui sont inconnues et non nécessaires.
\item[Choisir un système d'axes.] Simple et, si possible, orienté dans le sens supposé de l'accélération. Cela permet d'éliminer un certain nombre de fautes de signe.
\item[Faire un dessin avec forces extérieures.] Il ne faut en oublier aucune. La détermination du caractère extérieur des forces en jeu est évidemment aussi une étape difficile. Mais elle est fondamentale.
\item[Spécifier les contraintes sur le système.] Par exemple : se déplace uniquement horizontalement.
\item[Écrire les équations du mouvement.] Il s'agit d'écrire la seconde loi de Newton sur chaque axe. Il faut donc décomposer les vecteurs forces et accélération sur ceux-ci.
\item[Résoudre le problème.] Vérifier que le nombre d'équations est égal au nombre d'inconnues. A l'aide des équations décrivant les contraintes et des équations du mouvement, résoudre alors le problème.
\item[Vérifier la solution sur des cas simples.] Par exemple, si on a obtenu l'accélération d'un objet sur un plan incliné, il faut vérifier que si celui-ci est vertical, alors l'accélération est celle de la chute libre.
\end{description}
\end{boiteepaisseavecuntitre}
\bigskip
\begin{ex}\label{exfusee}
Une fusée d'une masse de \unit{60}{tonnes} décolle verticalement. Au bout d'une minute, elle atteint la vitesse de \unit{1000}{\kilo\metre\per\hour}. En supposant l'accélération constante, calculez la force totale des moteurs. Réponse : \unit{866'400}{\newton}.
\begin{sol}
Le schéma de la situation est donné dans la figure \ref{fusee}.
Une voiture tire une remorque à vitesse constante. Si la force de frottement qui s'exerce sur la remorque vaut \unit{500}{\newton}, quelle est la force exercée par la voiture sur la remorque ? Quelle est la somme des forces qui s'exercent sur la remorque ? Répondez aussi à ces deux questions si la voiture a une accélération de \unit{5}{\metre\per\second\squared} et la remorque une masse de \unit{500}{\kilo\gram}. Réponses : \unit{500}{\newton}, nulle, \unit{3000}{\newton} et \unit{2500}{\newton}.
\begin{sol}
Le schéma de la situation est donné par la figure \ref{remorque}.
\begin{figure}[!t]
\centering
\caption{Une remorque\label{remorque}}
\includegraphics[width=6cm]{Remorque.eps}
\end{figure}
La remorque avance à vitesse constante. La première loi de Newton nous indique alors que la somme des forces qui s'exercent sur elle est nulle. On peut considérer successivement le cas des forces verticales et celui des forces horizontales.
Verticalement, la position de la voiture ne change pas. Elle est verticalement à l'arrêt. La réaction du sol \(\overrightarrow R\) est donc égale en grandeur, mais opposée, au poids \(\overrightarrow P\), comme présenté dans la figure \ref{remorque}.
Horizontalement par contre, la remorque se déplace. Mais elle le fait à vitesse constante et donc, là encore, la somme des forces horizontales qui s'exercent sur elle est nulle. La force de frottement \(\overrightarrow F_{fr}\) est égale en grandeur et opposée à la force \(\overrightarrow F\) exercée par la voiture pour tirer la remorque. Ainsi :
\[F=F_{fr}=\unit{500}{\newton}\]
Si la voiture a une accélération, la situation des forces verticales ne change pas. On a toujours : \(\overrightarrow R=-\overrightarrow P\). Par contre, la sommes des forces horizontales n'est plus nulle. On a, selon l'axe de la figure \ref{remorque} :
Un ascenseur de masse \(m =\unit{200}{\kilo\gram}\), dans lequel une personne de \unit{60}{\kilo\gram} se trouve, monte avec une accélération de \unit{4}{\metre\per\second\squared}. Quelle est la force exercée par le câble sur l'ascenseur ? Réponse : \unit{3590,6}{\newton}.
\begin{sol}
Ce problème est identique au problème \ref{exfusee} de la fusée. Il suffit de remplacer la fusée par l'ascenseur et de considérer la force de propulsion de la fusée comme la force de traction du câble. Considérons donc la figure \ref{fusee}. Selon l'axe considéré, on a :
\begin{align*}
F-P&=m\cdot a\,\Rightarrow\\
F&=m\cdot a+m\cdot g=260\cdot 4+260\cdot 9,81\\
&=\unit{3590,6}{\newton}
\end{align*}
\end{sol}
\end{ex}
\begin{ex}
Une voiture de deux tonnes roulant à \unit{50}{\kilo\metre\per\hour} freine brusquement pour s'arrêter sur une distance de \unit{40}{\metre}. Calculez la force de frottement des pneus et expliquez précisément d'où elle vient. Réponse : \unit{-4'822,5}{\newton}.
\begin{sol}
Pour que la voiture ralentisse, il faut que la force qui s'exerce sur elle soit vers l'arrière. C'est la force de frottement du sol sur les roues qui la freine. En effet, sur la glace elle ne s'exerce pas et la voiture ne peut freiner.
Tant la force que l'accélération sont donc dirigées vers l'arrière. La décélération se calculant par :
Elle est négative, donc bien dirigée vers l'arrière.
\end{sol}
\end{ex}
\begin{ex}
Un train de \unit{300}{tonnes} (locomotive : \unit{50}{tonnes}, wagons : \unit{250}{tonnes} accélère de \unit{0}{} à \unit{10}{\kilo\metre\per\hour} en une minute. On néglige les frottements.
\begin{enumerate}
\item Calculez la force \(F_{tot}\) nécessaire pour réaliser cette augmentation de vitesse.
\item Quelle force \(F\) la locomotive exerce-t-elle sur les wagons ?
\item Combien de temps durerait le démarrage si la locomotive n'avait pas de wagons (elle exerce la même force qu'au premier point) ?
\end{enumerate}
Réponses : \unit{13'889}{\newton}, \unit{11'500}{\newton} et \unit{10}{\second}.
\begin{sol}
Ce problème illustre bien l'importance du choix du système. Comme tout se déroule horizontalement, on ne va considérer que les forces horizontales. Les verticales existent, mais n'interviennent pas.
\begin{enumerate}
\item Comme on cherche la force nécessaire à l'augmentation de vitesse du train dans son entier, considérons pour système le train entier. Sa masse totale est \(M=\unit{300\cdot10^3}{\kilo\gram}\). Son accélération est :
\item Cette fois-ci, on cherche la force exercée sur une partie du train : les wagons. On ne va donc considérer comme système que les wagons. Une seule force \(F\) les tire vers l'avant avec la même accélération que celle du train dans son ensemble. Leur masse est \(m=\unit{250\cdot10^3}{\kilo\gram}\). On a donc :
On lance une balle de masse \(m=\unit{100}{\gram}\) vers le haut avec une vitesse \(v_o=\unit{2}{\metre\per\second}\). Si elle est soumise à une force de frottement \(F_{fr}=\unit{0,05}{\newton}\) pendant tout son vol, jusqu'à quelle hauteur monte-t-elle ? Réponse : \unit{19,4}{\centi\metre}.
\begin{sol}
Pendant la montée, la balle subit deux forces extérieures vers le bas : son poids \(P=m\cdot g\) et la force de frottement \(F_{fr}\). En prenant un axe vertical dirigé vers le haut, on peut donc écrire :
La balle a donc une décélération constante. Ainsi il s'agit d'un MRUA et, connaissant les vitesses initiale et finale et l'accélération, on peut écrire :
\begin{align*}
v^2&=v_o^2+2\cdot a\cdot h\;\Rightarrow\\
0&=2^2-2\cdot 10,31\cdot h\;\Rightarrow\\
h&=\unit{0,194}{\metre}=\unit{19,4}{\centi\metre}
\end{align*}
Évidemment, elle monte moins haut que s'il n'y avait pas de frottements.
\end{sol}
\end{ex}
\begin{ex}
Un vaisseau spatial d'une masse \(m=\unit{9}{tonnes}\) se déplace à une vitesse \(v_o=\unit{10'000}{\kilo\metre\per\hour}\) pendant cinq minutes. Puis il enclenche ses moteurs. Ils lui fournissent une poussée \(P\) de \unit{1000}{\newton} pendant \unit{30}{\second}. Quelle est la distance parcourue jusqu'au moment où il coupe ses moteurs ? Réponse : \unit{916,7}{\kilo\metre}.
\begin{sol}
La première phase du mouvement se déroule à vitesse constante. La distance parcourue pendant cinq minutes, c'est-à-dire \(1/12\,h\), est donc donnée par :
Un électron initialement au repos est accéléré jusqu'à une vitesse de 1\% de la vitesse de la lumière sur une distance de \unit{30}{\metre}. Quelle est la force totale qui s'exerce sur lui ? Réponse : \unit{1,37\cdot 10^{-19}}{\newton}.
\begin{sol}
Son accélération, supposée constante, est donnée par :
Une araignée de masse \(m=\unit{5}{\gram}\) est suspendue par son fil au plafond. Elle ne bouge pas. Quelle force le fil exerce-t-il sur elle ? Elle se met à descendre en freinant sa chute à l'aide de son fil avec une force \(F=\unit{0,01}{\newton}\). Si elle descend d'une hauteur \(d=\unit{2}{\metre}\), combien de temps met-elle pour le faire et à quelle vitesse arrive-t-elle en bas ? Réponses : \unit{0,716}{\second} et \unit{5,59}{\metre\per\second}.
\begin{sol}
Tant que l'araignée ne bouge pas, la force exercée par le fil est égale à son poids, c'est-à-dire :
Une corde aux extrémités de laquelle sont suspendues deux masses \(m_1=\unit{2}{\kilo\gram}\) et \(m_2=\unit{3}{\kilo\gram}\) est suspendue à une poulie (voir figure \ref{poulie}). On lâche les masses (il s'agit de ce qu'on appelle une machine de Atwood\index{Atwood}). Quelle est leur accélération ? Réponse : \unit{1,962}{\metre\per\second\squared}.
\begin{figure}[ht]
\caption[La poulie]{La poulie\label{poulie}\par\scriptsize{ou machine de Atwood\index{Atwood}}}
% ligne pour placement correct de l'input
\smallskip
\begin{center}
\input{Annexe-Exercices/Images/Poulie}
\end{center}
\medskip
\end{figure}
\begin{sol}
L'ensemble se comporte comme un système en une dimension dont l'accélération se fait dans le sens de la masse la plus grande et qui est freiné par la masse la plus faible. Si on définit le sens positif de l'axe dans le sens du mouvement, on peut écrire :
L'analyse ci-dessus se base sur le système composé des deux masses et de la corde. Ce choix fait des tensions dans la corde des forces intérieures et esquive donc leur détermination.
Sans que cela soit nécessaire ici, il est intéressant de les considérer. Pour cela, considérons comme système la masse de \unit{3}{\kilo\gram}. Sur celle-ci s'exerce son poids P vers le bas et la force T exercée par la corde vers le haut. En première analyse, on peut penser que cette dernière, qui retient le système dans sa chute, est égale au poids de la seconde masse. Cependant, si c'est le cas, selon la troisième loi de Newton, la force exercée par le système sur la corde, réaction de T, serait égale au poids de la seconde masse. Le système constitué par la corde et la seconde masse ne serait alors soumis qu'à deux forces extérieures de valeurs égales~! Celui-ci ne pourrait donc pas accélérer. On peut donc en conclure que T n'est pas égale au poids de la seconde masse.
\smallskip
Par ailleurs, faut-il parler des tensions ou de la tension dans la corde ? Pour le savoir, considérons un petit bout de corde \(\Delta l\) de masse \(\Delta m\). Sans compter le poids du petit bout de corde, deux forces extérieures opposées \(\Delta T_1\) et \(\Delta T_2\) s'exercent de chaque côté de celui-ci. Celles-ci sont forcément inégales, en raison de l'accélération de la corde. On devrait donc parler de plusieurs forces. Mais, en écrivant la seconde loi de Newton pour le système \(\Delta m\)~:
\[\Delta T_1-\Delta T_2=\Delta m\cdot a\]
et en considérant une accélération non nulle, on se rend compte que si \(\Delta m\cong0\), soit si la masse de la corde est négligeable par rapport aux masses, les deux forces \(\Delta T_1\) et \(\Delta T_2\) sont égales. Alors on peut parler de la tension \(T=\Delta T_1=\Delta T_2\) dans la corde.
Le raisonnement s'appliquant à l'ensemble de la corde, on peut donc dire que si sa masse est négligeable, c'est la tension T qu'il faut déterminer.
À partir de l'accélération calculée précédemment sur la base du système complet~:
Soit une masse m de \unit{15}{\kilo\gram} posée sur un plan horizontal sans frottements. On exerce sur elle une force F de \unit{5}{\newton}, faisant un angle de \unit{30}{\degree} avec l'horizontale, dirigée vers le bas.
Calculez l'accélération du bloc et la valeur de la réaction du plan. Réponses~: \unit{0,29}{\metre\per\second\squared} et \unit{149,65}{\newton}.
\begin{solos}
La masse m constitue évidemment le système. On choisit un système d'axes vertical et horizontal dirigé vers le haut et dans le sens de l'accélération.
Les forces extérieures exercées sur la masse sont au nombre de trois : son poids P, la réaction du plan R et la force F.
\begin{figure}[h]
\caption[Force inclinée]{Une force inclinée}\label{forceinclinee}
La figure \ref{forceinclinee} présente la situation. On peut y voir les trois forces extérieures et, en rouge , la décomposition de la force F en ses composantes sur les axes (remarquez qu'on a représenté les composantes par des vecteurs, ce qui est courant en physique lors de la décomposition de forces parce qu'on peut alors comprendre celle-ci comme un remplacement de la force F par deux forces qui en forment la somme).
L'équation de Newton sous forme vectorielle donne alors les équations du mouvement en composantes~:
Une lampe de \unit{7}{\kilo\gram} est suspendue entre deux murs par deux câbles souples sans masse qui font un angle de \unit{20}{\degree} et \unit{30}{\degree}.
Quelles sont les tensions exercées par chaque câble sur les murs ? Réponses~: \unit{77,63}{\newton} et \unit{84,24}{\newton}.
\begin{solos}
Commençons par trouver les forces exercées par les câbles sur la lampe. Considérons donc la lampe comme système. Pour des câbles souples la force est exercée le long du câble. La situation est donc celle de la figure \ref{lampe}.
Soient deux masses, la première, de valeur M=\unit{5}{\kilo\gram}, posée sur un plan horizontal sans frottements et la seconde, m=\unit{2}{\kilo\gram}, reliée à la première par une corde sans masse et pendant dans le vide, comme présenté sur la figure \ref{pendante}.
On lâche la première à vitesse initiale nulle. Calculez la vitesse de la seconde alors que la première à parcouru une distance d=\unit{50}{\centi\metre}. Réponse~: \unit{2,8}{\metre\per\second}.
On commence par choisir le système. Pour éviter de devoir calculer la tension dans la corde, on le choisit comme constitué de la corde et des deux masses M et m.
Les forces extérieures sont alors au nombre de trois. Le plan horizontal exerce sur la masse M une force de soutient verticale égale et opposée à son poids (mais qui ne sont pas l'action et la réaction l'une de l'autre), puisque la masse se déplace horizontalement. Ces deux forces s'annulent donc. Reste le poids de la masse m, seule force extérieure à agir pour accélérer le système.
On peut donc écrire, selon la seconde loi de Newton~:
\[\sum F^{ext}=m\cdot g=(M+m)\cdot a\]
où M+m est la masse du système. Ainsi, finalement, on peut calculer la valeur de l'accélération~:
On lâche, à vitesse initiale nulle, une masse m de \unit{3}{\kilo\gram}, sur un plan incliné d'un angle \(\alpha=\unit{20}{\degree}\) sans frottements. Calculez sa vitesse après un temps t de \unit{2}{\second}. Réponse~: \unit{9,72}{\metre\per\second}.
\begin{solos}
Deux forces agissent ici : la réaction du plan, qui lui est normale (c'est-à-dire perpendiculaire), et le poids de la masse. Comme la réaction du plan n'a aucune composante parallèlement au plan, elle ne peut être responsable de l'accélération de la masse le long de celui-ci.
Il faut donc trouver la composante du poids qui est parallèle au plan incliné. L'angle entre le poids et un plan horizontal est de \unit{90}{\degree}. Quand le plan est incliné, cet angle diminue de la valeur de l'inclinaison. L'angle \(\beta\) entre le plan incliné et le poids et donc \(\beta=90-\alpha\).
Comme la projection du poids selon l'angle \(\beta\) correspond à sa composante parallèle au plan, dans le triangle rectangle composé du poids comme hypoténuse et de ses composantes parallèle et perpendiculaire au plan, la composante parallèle au plan correspond au côté adjacent. Ainsi, on peut écrire~:
\begin{align*}
P_{//}&=P\cdot\cos(\beta)=P\cdot\cos(90-\alpha)\\
&=P\cdot\sin(\alpha)
\end{align*}
La seconde loi de Newton s'écrit donc le long du plan incliné~:
Une autre manière de résoudre le problème est de procéder avec méthode. Le système qu'on doit choisir est bien évidemment la masse m, puisque c'est de celle-ci qu'on cherche l'accélération pour en trouver la vitesse au bout de \unit{2}{\second}.
\begin{figure}[h]
\centering
\caption[Plan incliné]{Le plan incliné}\label{incline}
La figure \ref{incline} présente ensuite le dessin des forces extérieures et le choix du système d'axes. Remarquez que ce dernier l'a été selon l'inclinaison du plan. Il aurait pu ne pas en être ainsi, mais ce choix simplifie les calculs, car la masse étant contrainte à se déplacer le long du plan, son accélération perpendiculairement est nulle. Les équations de la seconde loi de Newton, obtenues par projection des forces extérieures et de l'accélération selon les axes, peuvent alors s'écrire :
car l'accélération perpendiculairement au plan est nulle, comme déjà mentionné.
\smallskip
Si on considére l'angle \(\alpha\), en s'imaginant le plan incliné horizontal, on comprends qu'il se reporte entre le vecteur poids \(\overleftarrow{P}\) et sa compostante selon y \(P_y\).
Avec le triangle rectangle formé par le poids et ses composantes et un peu de trigonométrie, on peut en déduire~:
\begin{align*}
P_x &= P\cdot\sin(\alpha)\\
P_y &= P\cdot\cos(\alpha)
\end{align*}
Comme par ailleurs on sait que \(P=m\cdot g\), on peut réécrire les équations de Newton sur les axes comme~:
Ensuite, le problème se résout de la même manière que précédemment.
\end{solos}
\end{exos}
\begin{exos}
Une masse M = \unit{5}{\kilo\gram} glisse sur un plan incliné d'un angle \(\alpha=\unit{30}{\degree}\) par rapport à l'horizontale. Elle est retenue, du côté du haut du plan incliné, par une corde inextensible sans masse passant sur une poulie, puis accrochée à une autre masse m = \unit{3}{\kilo\gram}, pendant librement.
Calculez l'accélération des masses et la tension dans la corde. Réponses~: \unit{-0,6}{\metre\per\second\squared} et \unit{27,6}{\newton}.
\begin{solos}
Le problème peut paraître complexe du fait de la présence de deux objets distincts se déplaçant selon deux axes différents. Pourtant, le fait que la corde soit inextensible fait de l'ensemble des deux masse et de la corde un système se déplaçant avec la même accélération. De plus, pour autant qu'on considère correctement l'action des forces sur chaque masse, on peut s'imaginer ce système se déplaçant d'un bloc horizontalement.
\smallskip
Comme on ne connaît pas la tension dans la corde (on ne peut s'imaginer à priori qu'elle correspond au poids de la masse m), le choix du système comprenant les deux masses et la corde s'impose, car ainsi la tension dans la corde, en tant que force intérieure, n'apparaîtra pas dans les équations de Newton.
\smallskip
Comme déjà dit, on peut considérer le système d'un seul tenant. On va donc imaginer un axe suivant la corde et orienté vers le bas du plan incliné, car la masse M étant plus grande que m, il est évident que le mouvement se fera dans ce sens. Ainsi, le signe de l'accélération sera positif.
\smallskip
Reste à considérer les forces extérieures. Elles sont au nombre de quatre~:
\begin{enumerate}
\item le poids P de la masse M,
\item la réaction R du plan incliné,
\item celui p de la masse et
\item la force exercée sur la corde par la poulie.
\end{enumerate}
La dernière est toujours perpendiculaire à la corde et ne participe donc pas au mouvement des masses. La troisième est toujours parallèle à la corde. La seconde est toujours perpendiculaire au plan incliné et ne participe elle aussi pas au mouvement. La première à une composante perpendiculaire au plan incliné et ne participe pas au mouvement, mais aussi une composante parallèle à ce plan et doit être considérée.
Avec l'angle \(\alpha\) défini, on peut reprendre le raisonnement évoqué au problème \ref{planinclinesimple}, évoquant le triangle rectangle formé par le poids de la masse M et se composantes et affirmant que l'angle \(\alpha\) est celui entre le poids et sa composante perpendiculaire au plan, pour écrire que la composante parallèle au plan vaut~:
\[P_{//}=M\cdot g\cdot\sin(\alpha)\]
\smallskip
À partir de là, on peut écrire l'équation du mouvement du système (des deux masse et de la corde)~:
Le signe négatif signifie que la masse M monte vers le haut du plan incliné.
\medskip
Pour calculer la tension dans la corde, il est indispensable de changer de système pour la faire apparaître en tant que force extérieure dans l'équation de Newton.
Trois éléments peuvent prétendre servir de système.
La corde en premier lieu. Si on la considère seule, à l'une de ses extrémités la masse m exerce sur elle une force \(T_m\) et à l'autre la masse M exerce une tension à priori différente \(T_M\). La force exercée par la poulie reste perpendiculaire et ne contribue pas au mouvement. On peut donc écrire~:
\[T_M-T_m=\mu\cdot a\]
où \(\mu\) est la masse de la corde. Or, si cette masse est nulle, indépendamment de l'accélération, le deux tensions sont égales. Cela est évidemment valable pour tous les éléments de la corde dont on dira donc qu'elle exerce une force \(T\) à déterminer.
Le système corde ne permet donc pas de la trouver.
Restent les deux masses. Pour la masse M interviendra dans l'équation du mouvement un sinus qu'on va éviter en considérant m.
Sur m, avec un axe pointant toujours vers le haut, l'équation de Newton devient très simple~:
\begin{align*}
\sum F{ext}&=T-m\cdot g=m\cdot a\;\Rightarrow\\
T&=m\cdot (a+g)=3\cdot (-0,6+9,81)\\
&=\unit{27,6}{\newton}
\end{align*}
\medskip
Pour vérifier ce résultat, choisissons l'autre masse (M) pour système. On écrira alors~:
Un parachutiste de \unit{70}{\kilo\gram} saute d'un avion et ouvre immédiatement son parachute. Sa vitesse augmente d'abord progressivement, puis se stabilise à une valeur à déterminer par le fait qu'en deçà de \unit{2}{\metre}, une personne normale peut atterrir sans risque d'un saut à vitesse initiale nulle.
Calculez la vitesse de descente du parachutiste pour qu'il puisse atterrir en toute sécurité. Puis déterminez la tension exercée par le parachute sur le parachutiste pendant sa descente. Réponses~: \unit{6,26}{\metre\per\second} et \unit{686,7}{\newton}.
Pour calculer la vitesse de chute, il suffit de trouver la vitesse d'un objet en chute libre au bout de \unit{2}{\metre} de déplacement. Avec les équations du MRUA, on a~:
Un ballon auquel est suspendu une nacelle de \unit{100}{\kilo\gram} soulève une masse de \unit{80}{\kilo\gram} accrochée sous la nacelle par une corde.
\begin{enumerate}
\item Il monte à vitesse constante. Calculez la force exercée par le ballon sur la nacelle et celle exercée par la corde sur la masse.
\item On lâche \unit{20}{\kilo\gram} de lest. Calculez l'accélération du ballon et les nouvelles force sur la nacelle et la masse.
\end{enumerate}
Réponses~: \unit{1765,8}{\newton}, \unit{784,8}{\newton}, \unit{1,23}{\metre\per\second\squared} et \unit{882,9}{\newton}.
\begin{solos}
\begin{enumerate}
\item Avec pour système la nacelle, la corde et la masse, les deux seules forces extérieures sont le poids P et la force exercée par le ballon F. Tout se déroulant sur un axe vertical, qu'on choisira vers le haut, on peut écrire la seconde loi sur cet axe~:
\[\sum F^{ext}=F-(M+m)\cdot g=(M+m)\cdot a=0\]
puisque l'accélération est nulle. Ainsi, la force F exercée par le ballon sur la nacelle est simplement égale au poids du système~:
Le même raisonnement vaut pour la masse suspendue dont l'accélération est nulle. Ainsi la tension T dans la corde vaut exactement le poids de la masse pendante~:
\[T=m\cdot g=80\cdot9,81=\unit{784,8}{\newton}\]
\item À vitesse constante, la force permettant au ballon de s'élever est donc égale au poids de ce qu'il soulève. La force d'ascension vaut donc \(F=\unit{1765,8}{\newton}\).
Si on lâche \unit{20}{\kilo\gram} de lest, la masse de la nacelle devient égale à \unit{80}{\kilo\gram}. La seconde loi de Newton permet alors de calculer l'acclération~:
Une poulie est accrochée au plafond par son axe de rotation. D'un côté elle soutient une masse m de \unit{5}{\kilo\gram} et de l'autre une autre poulie par l'intermédiaire d'une corde accrochée au plafond. À l'axe de rotation de cette dernière est suspendu une autre masse M de \unit{5}{\kilo\gram}. La figure \ref{deuxpoulies} présente la situation.
On verra ci-dessous que l'utilisation de la seconde loi de Newton permet d'obtenir une relation entre l'accélération de chaque masse, constituant une équation à deux inconnues. Pour déterminer la valeur des deux accélérations, il est donc nécessaire de trouver une seconde équation entre ces deux équations.
\medskip
Imaginons une poulie suspendue à une corde qui dépasse de celle-ci des deux côtés d'une longueur L, comme présenté sur la figure \ref{cordepoulie}. La demi-circonférence de la poulie vaut aussi L.
\begin{figure}[h]
\centering
\caption[Corde poulie]{Corde et poulie}\label{cordepoulie}
On tire sur la corde à gauche pour la faire monter d'une hauteur L.
\smallskip
La question est : \emph{de quelle hauteur monte la poulie ?}
\smallskip
Pour le déterminer, il faut considérer qu'en tirant sur la corde pour la faire monter d'une hauteur L, on amène le point A qui est à l'origine au contact de la poulie à la place du point B du haut de la corde (voir figure \ref{cordepoulie}). Si la poulie restait à sa place, on aurait la situation de la figure \ref{cordepoulietiree}). Mais, elle est en réalité libre de monter. Ce qui reste fixe est le point C de la figure \ref{cordepoulie}.
\begin{figure}[h]
\centering
\caption[Corde tirée poulie]{Corde tirée et poulie}\label{cordepoulietiree}
On a donc a répartir une longueur 2L de corde entre le point A de la figure \ref{cordepoulietiree} et le point C de la figure \ref{cordepoulie}. Comme la demi-circonférence de la poulie vaut L, il reste une longueur L à répartir des deux côtés de la poulie, soit L/2 de chaque côté, comme le montre la figure \ref{cordepoulietireejuste}.
\begin{figure}[h]
\centering
\caption[Corde tirée poulie juste]{Corde tirée et poulie montée}\label{cordepoulietireejuste}
Ainsi, quand on tire la corde d'une longueur L, la poulie monte d'une longueur L/2.
\bigskip
Pour revenir au système des deux poulies du problème, la remarque précédente se traduit par le fait que quand la masse m descent d'une longueur L, la masse M monte d'une longueur L/2.
L'accélération étant une distance divisée par un temps au carré, on comprends facilement que cela signifie que l'accélération de la masse m vaut simplement le double de celle de la masse M, soit :
\[a_m=2\cdot a_M\]
Cette équation constitue une première relation entre les deux inconnues que sont les accélérations de chaque masse.
\bigskip
Les masses étant égales, on pourrait aussi croire que le système est en équilibre. Ce n'est pas le cas. Pour le comprendre, considérons la poulie qui n'est pas accrochée au plafond.
\smallskip
À l'instar d'une poulie suspendue au plafond à laquelle on accroche deux masses identiques pendantes par l'intermédiaire d'une corde, la force totale qu'exerce sur elle le plafond vaut évidemment le poids total des deux masses, puisque la poulie ne bouge pas. Or, pour que chaque masse individuellement ne bouge pas, il faut que la corde qui passe dans la poulie exerce sur chacune d'elle une force égale à son poids. De chaque côté de la poulie, la corde exerce donc une même force et la poulie est tirée vers le bas par l'ensemble de ces deux forces.
\smallskip
Ainsi, sur la poulie qui n'est pas accrochée au plafond, la force totale exercée vers le haut vaut deux fois la tension dans la corde. Vers le bas, seule le poids de la masse M qui lui est suspendue est présent.
\smallskip
De l'autre côté, la masse m retenue par la corde qui passe sur la poulie suspendue au plafond est soumise à un poids identique vers le bas et à une seule force vers le haut exercée par la corde. Comme la masse de la corde est nulle, la tension dans la corde est la même partout.
\smallskip
Finalement, la masse M est tirée vers le haut par deux fois la tension dans la corde et la masse m est retenue par une fois la tension dans la corde. Clairement donc, la première monte et la seconde descend.
\medskip
Le choix du système d'axe est donc clair : vers le haut pour la masse M qui monte et vers le bas pour m qui descend, le mouvement se faisant dans cette direction avec une accélération a identique pour les deux masses.
\smallskip
On peut alors écrire les équations du mouvement de chaque masse ainsi :
\begin{align*}
m\cdot g-T&=m\cdot a_m\\
2\cdot T-M\cdot g&=M\cdot a_M
\end{align*}
En multipliant par deux la première équation, on peut les additionner pour en tirer l'accélération.
Reprenez la situation du problème \ref{planinclinesimple}, présenté à la figure \ref{incline} pour calculer algébriquement l'expression des accélérations horzontales et verticales du bloc ainsi que la réaction du plan incliné. Réponses~: \(g\cos(\alpha)\sin(\alpha)\), \(-g\cdot\sin(\alpha)\) et \(R=m\cdot g\cos(\alpha)\).
\begin{solos}
Dans ce problème, on n'utilise pas le système d'axes de la figure \ref{incline} qui est parallèle et normal au plan incliné, mais un système d'axes horizontal et vertical. Les équations du mouvement selon ce système s'écrivent avec des notations évidentes~:
et finalement en tirer les accélérations cherchées~:
\begin{align*}
a_x&=\frac{R\cdot\sin(\alpha)}{m}\\
a_y&=\frac{R\cdot\cos(\alpha)-m\cdot g}{m}
\end{align*}
Visiblement, on a deux équations pour trois inconnues, les deux accélérations et la réaction du plan.
Pour le calcul de cette dernière, il est donc nécessaire de disposer de l'équation supplémentaire donnée par la contrainte imposée à la masse de rester sur le plan incliné, soit la relation spécifiant que la réaction R est égale à la composante perpendiculaire au plan incliné du poids~:
Pour vérifier que ces relations sont correctes, on peut calculer la norme du vecteur accélération qui devrait selon le problème \ref{planinclinesimple} valoir \(a=g\sin(\alpha)\). Le calcul est le suivant~:
Une corde de longueur L et de masse M est posée sur une table sans frottement. Un quart de la longueur de celle-ci pend dans le vide au bord de la table quand on la lâche.
Calculez son accélération en fonction de la longueur l de la corde qui pend.
Rappelons tout d'abord que l'exercice \ref{massesuspendue} a permis de calculer l'accélération d'un système de deux masses, l'une sur un plan horizontal, la masse M', et l'autre pendant dans le vide, la masse m, accrochée à la première par une ficelle sans masse. Avec un système constitué des deux masses, on a pu montrer que~:
C'est à partir de là que l'on peut résoudre le présent problème.
\smallskip
La solution est toute simple. À un instant donné on groupe toute la masse qui glisse sur le plan pour en faire la masse M et toute la masse pendante pour en faire la masse m. Pour cela, définissons une masse par unité de longueur de corde~:
\[\rho=\frac{M}{L}\]
Ainsi on peut écrire~:
\begin{align*}
M&=(L-y)\cdot\rho=(L-y)\cdot\frac{M}{L}\\
m&=y\cdot\rho=y\cdot\frac{M}{L}
\end{align*}
Ainsi, on peut simplement écrire l'équation de l'acclération~:
Une personne de masse \(m =\unit{70}{\kilo\gram}\) prend l'ascenseur. Elle se place sur une balance. Durant la première phase de montée, l'accélération vaut \unit{2}{\metre\per\second\squared}. Puis suit une phase à vitesse constante et enfin l'ascenseur décélère à \unit{3}{\metre\per\second\squared}. Trouvez dans chaque cas la force exercée par la balance sur la personne (en divisant par l'accélération terrestre, on obtient la valeur que marquerait une balance sous les pieds de la personne). Réponses : \unit{84,3}{\kilo\gram}, \unit{70}{\kilo\gram} et \unit{48,6}{\kilo\gram}.
\begin{sol}
La figure \ref{ascenseur} présente la situation.
\begin{figure}[!t]
\centering
\caption{Un ascenseur\label{ascenseur}}
\includegraphics{Ascenseur.eps}
\end{figure}
On choisit comme système la personne. Les forces extérieures sont alors :
\begin{itemize}
\item son poids \(\overrightarrow P\) et
\item la force \(\overrightarrow R\) exercée par la balance sur la personne. Sa réaction, la force exercée par la personne sur la balance, permet à cette dernière de donner une indication du poids de la personne, indiqué malheureusement en kilogrammes (et non en newtons, comme cela devrait être le cas) par la balance.
A partir de là, on peut considérer les différents cas :
\begin{enumerate}
\item Quand l'ascenseur prend de la vitesse, l'accélération vaut \unit{2}{\metre\per\second\squared}. La réaction de la balance est alors :
\[R=70\cdot2+70\cdot9,81=\unit{826,7}{\newton}\]
et la balance indiquerait :
\[m=\frac{826,7}{9,81}=\unit{84,3}{\kilo\gram}\]
La personne a un poids plus important qu'à l'arrêt et donc l'indication donnée en terme de masse par la balance pourrait laisser croire à~\cdot de l'embonpoint.
\item Pendant la phase à vitesse constante, l'accélération vaut \unit{0}{\metre\per\second\squared}. La réaction de la balance est alors :
\[R=70\cdot0+70\cdot9,81=\unit{686,7}{\newton}\]
et la balance indiquerait :
\[m=\frac{686,7}{9,81}=\unit{70}{\kilo\gram}\]
La personne a le même poids qu'à l'arrêt et donc l'indication donnée en terme de masse par la balance est juste.
\item Quand l'ascenseur perd de la vitesse, l'accélération vaut \unit{-3}{\metre\per\second\squared}. La réaction de la balance est alors :
La personne a un poids moins important qu'à l'arrêt et donc l'indication donnée en terme de masse par la balance pourrait laisser croire à~\cdot une maladie.
\end{enumerate}
On voit qu'une balance indique quelque chose de relatif à l'état de mouvement de la personne. Elle n'indique donc pas une quantité de matière, c'est-à-dire une masse. Une balance devrait donc être graduée en newtons. Elle l'est en \kilo\gram, car on a l'habitude de se peser à l'arrêt (bien que~\cdot la Terre tournant~\cdot) et à la surface de la Terre. Dans ce cas bien précis, il suffit en effet de diviser son indication (ou de reporter face à la graduation une indication de masse) par \gram pour obtenir la masse.
\end{sol}
\end{ex}
\begin{ex}
Calculez la grandeur de la force exercée par deux boules de pétanque de masse \(m =\unit{1}{\kilo\gram}\) l'une sur l'autre. Elles sont distantes de \unit{0,5}{\metre}. Réponse : \unit{2,668\cdot 10^{-10}}{\newton}.
Calculez la masse de la Terre. On donne \(g=\unit{9,81}{\metre\per\second\squared}\) et le rayon terrestre moyen \(R_{T}=\unit{6'370}{\kilo\metre}\). Réponse : \unit{5,97\cdot 10^{24}}{\kilo\gram}.
\begin{sol}
Le poids à la surface de la Terre peut être calculé de deux manières. A l'aide de la loi de la gravitation universelle et à l'aide de sa définition \(P=m\cdot g\). Il s'agit de la même force. On peut donc écrire :
Quelle force faut-il exercer sur un ressort de constante \(k =\unit{800}{\newton\per\metre}\) pour le déformer de \unit{10}{\centi\metre} ? Réponse : \unit{80}{\newton}.
\begin{sol}
On a simplement :
\[F=k\cdot x=800\cdot0,1=\unit{80}{\newton}\]
\end{sol}
\end{ex}
\begin{ex}
Quelle est la constante d'un ressort qui s'allonge de \unit{12}{\centi\metre} lorsqu'on lui suspend une masse de \unit{100}{\gram} ? Réponse : \unit{8,175}{\newton\per\metre}.
Une voiture de deux tonnes roulant à \unit{50}{\kilo\metre\per\hour} freine brusquement pour s'arrêter sur une distance horizontale de \unit{40}{\metre}. Calculez le c\oe fficient de frottement des pneus sur la route. Réponse : \unit{0,25}{}.
\begin{sol}
L'accélération de la voiture est (hypothèse MRUA) :
Une voiture a une masse \(m=\unit{1000}{\kilo\gram}\) dont \unit{600}{} s'exercent sur les roues avant et \unit{400}{} sur les roues arrière. Calculez l'accélération maximale de cette automobile si le c\oe fficient de frottement pneu-route vaut \(\mu_{o}=\unit{0,5}{}\). La route est horizontale.
\begin{enumerate}
\item La traction se fait par les roues avant uniquement,
\item La traction est arrière,
\item C'est une traction quatre roues.
\end{enumerate}
Réponses : \unit{2,943}{\metre\per\second\squared}, \unit{1,962}{\metre\per\second\squared} et \unit{4,905}{\metre\per\second\squared}.
\begin{sol}
La force maximale entre les pneus et la route est donnée par :
\[F_{fr}=\mu_{o}\cdot R=\mu_{o}\cdot m\cdot g\]
On a alors :
\begin{enumerate}
\item Avec les roues avant uniquement, la force maximale est :
Un bloc d'une masse m de \unit{13}{\kilo\gram} est posé à la surface de Sedna. Le diamètre de cette planète naine est de \unit{995}{\kilo\metre} et sa masse M d'environ \(\unit{10^{21}}{\kilo\gram}\).
Calculez le rapport de poids pour la masse m entre la surface de Sedna et celle de la Terre. On peut supposer que l'accélération terrestre g vaut \unit{9,81}{\metre\per\second\squared}.
\begin{solos}
On commence par calculer l'accélération à la surface de Sedna grâce à la loi de la gravitation universelle~:
Le satellite de Jupiter nommé Io fait un tour autour de sa planète en 1,769 jours. Le rayon r de son orbite vaut 5,91 fois celui de Jupiter (le rayon R de Jupiter vaut 11,19 fois celui de la Terre).
Calculez la masse M de Jupiter en faisant l'hypothèse d'une trajectoire circulaire d'Io autour d'elle.
\begin{solos}
La seconde loi de Newton pour la trajectoire circulaire d'un corps m soumis à la gravitation autour d'une masse centrale M s'écrit~:
Un bloc d'une masse m de \unit{9}{\kilo\gram} est sur le point de glisser sur un plan incliné d'un angle \(\alpha\) égal à \unit{32}{\degree}. Calculez le c\oe fficient de frottement statique \(\mu_0\).
Le bloc se met soudain à glisser. Sachant que le c\oe fficient de frottement dynamique \(\mu\) à une valeur de 5\% inférieure au c\oe fficient statique, calculez l'accélération du bloc. Réponses~: \unit{0,62}{} et \unit{0,29}{\metre\per\second\squared}
Alors, sur l'axe x, avec la composante du poids parallèle au plan incliné et la force de frottement proportionnelle à la réaction R égale à la composante du poids perpendiculaire au plan, on peut écrire~:
Un bloc d'une masse m de \unit{2}{\kilo\gram} est posé sur un autre bloc d'une masse M de \unit{5}{\kilo<gram}. La masse M glisse sur un plan horizontal sans frottements. Les c\oe fficients de frottement statique et dynamique entre les deux masses ont la même valeur de 0,6. On tire sur le bloc supérieur avec une force F.
Tant que les deux blocs ne glissent pas, la force de frottement est statique. Si on considère comme système le bloc supérieur, celui-ci étant immobile sur le bloc inférieur, la forces F et celle de frottement s'annulent. Elles sont donc égales et si la force F exercée sur le bloc supérieur augmente, la force de frottement statique augmente également dans une exacte mesure. Cela jusqu'à la valeur de frottement statique maximum exercée par m sur M, donnée par l'équation~:
À partir du moment où le glissement commence, la force de frottement statique maximum devient une force de frottement cinétique. Si les c\oe fficients de frottements statique et cinétique sont égaux, la force de frottement cinétique est égale à celle statique maximale et ne varie plus. Ainsi, sur le bloc du bas ne s'exerce qu'une seule force extérieure, c'est la réaction à la force de frottement cinétique exercée par le bloc du bas sur celui du haut. Sa valeur est donnée par le calcul ci-dessus. Ainsi, on peut écrire pour le système du bas~:
Quant au bloc du haut, deux forces extérieures s'exercent sur lui : la force F et la force de frottement dynamique, égale à la force de frottement statique maximale. Pour ce système, on peut écrire~:
Une locomotive de vingt tonnes se déplace à \unit{50}{\kilo\metre\per\hour} quand elle doit freiner en urgence. Calculez la différence de distance d'arrêt entre un freinage avec et sans glissement des roues, si les c\oe fficients de frottement statique et cinétiques valent 0,6 et 0,4 (acier sec). Réponse~: \unit{8,19}{\metre}.
À l'aide d'un chariot d'une masse M de \unit{4}{\kilo\gram}, on désire déplacer une masse m de \unit{3}{\kilo\gram} en la poussant latéralement, mais sans qu'elle touche le sol, comme présenté à la figure \ref{blocsuspendu}.
\begin{figure}[h]
\centering
\caption[Bloc suspendu]{Déplacement d'un bloc suspendu}\label{blocsuspendu}
Si le c\oe fficient de frottement statique entre les deux blocs vaut 0,5 et que le frottement avec le sol est nul, calculez la force minimale qu'il faut exercer sur la masse M pour cela et calculez l'accélération des deux blocs. Réponse~: \unit{137,34}{\newton}.
\begin{solos}
Le poids du bloc de masse m vaut~:
\[P_m=m\cdot g=3\cdot9,81=\unit{29,43}{\newton}\]
Pour que ce bloc ne tombe pas, il faut qu'une force verticale s'exerce vers le haut et compense le poids calculé ci-dessus, soit \(F_{fr}=P\). L'origine de cette force est évidemment le frottement entre les deux blocs. Or, celle-ci dépend de la force exercée par la masse M sur m, notée \(\overrightarrow{N}\), qui joue le rôle de la réaction R du sol pour un objet glissant horizontalement. La figure \ref{blocsuspenduforces} présente la situation qui permet d'exprimer la force de frottement et de déterminer la valeur N de la réaction.
\begin{figure}[h]
\centering
\caption[Forces sur bloc suspendu]{Forces sur le bloc suspendu}\label{blocsuspenduforces}
On peut dire en français que pour avoir une force de frottement donnée il faut une réaction normale N de valeur double, en raison du c\oe fficient de frottement particulier ici.
\medskip
C'est la force normale \(\overrightarrow{N}\) qui est la seule force qui pousse la masse m horizontalement. Elle est donc responsable de l'accélération qu'on peut ainsi calculer simplement à l'aide de la seconde loi~:
Cette accélération est celle de la masse m, mais aussi de M. La valeur F de la force permettant de l'obtenir pour le système constitué par les deux masses est donc finalement~:
Un hélicoptère monte une masse de \unit{50}{\kilo\gram} avec une accélération de \unit{4}{\metre\per\second\squared} sur une distance de \unit{100}{\metre}. Calculez le travail de la force de traction qui s'exerce sur la masse. Réponse : \unit{69'050}{\joule}.
\begin{sol}
La seconde loi de Newton permet de calculer la valeur de la force de traction :
\begin{align*}
F-m\cdot g&=m\cdot a\;\Rightarrow\\
F&=m\cdot a+m\cdot g\\
&=50\cdot 4+50\cdot 9,81=\unit{690,5}{\newton}
\end{align*}
La force de traction et le déplacement étant parallèles et de même sens, on a :
Quelle est l'énergie potentielle de la masse du problème \ref{helico} à une hauteur de \unit{100}{\metre} ? Quelle est son énergie cinétique à la même place si la vitesse initiale est nulle ? Réponses : \unit{49'050}{\joule} et \unit{20'022,25}{\joule}.
Calculez le travail du poids d'un objet de masse \(m =\unit{3}{\kilo\gram}\) quand on le monte à vitesse constante de \unit{4}{\metre}, le déplace de \unit{5}{\metre} horizontalement, le redescend de \unit{4}{\metre} et le ramène à sa position initiale. Calculez le travail pour chaque étapes et le travail total. Réponses : \unit{-117,72}{\joule}, 0, \unit{117,72}{\joule}, 0 et 0.
\begin{sol}
Procédons par étapes :
\begin{itemize}
\item si on monte de \unit{4}{\metre}, le poids et le déplacement sont opposés et le travail du poids est :
\item lors d'un déplacement horizontal, le poids et le déplacement sont perpendiculaires et le travail est nul (car \(\cos(90^{\circ})=0\)).
\end{itemize}
Ainsi, le travail total est la somme des travaux pour chaque déplacement :
\[A_{tot}=-117,72+0+117,72+0=\unit{0}{\joule}\]
Le travail du poids pour un parcours fermé est donc nul. On dit d'une telle force qu'elle est ``conservative''. Ce n'est que pour de telles forces qu'il existe une énergie potentielle.
\end{sol}
\end{ex}
\begin{ex}
Calculez le travail produit par une force de \unit{15}{\newton} s'exerçant constamment à \unit{10}{\degree} par rapport au déplacement. Celui-ci est rectiligne et d'une distance de \unit{20}{\metre}. Réponse : \unit{295,4}{\joule}.
\subsection{Relatifs à la conservation de l'énergie}
\begin{ex}
Sans l'aide de l'accélération, calculez la vitesse d'une personne qui a sauté (sans vitesse initiale) d'un plongeoir de \unit{10}{\metre} et arrive dans l'eau. Réponse : \unit{50,4}{\kilo\metre\per\hour}.
\begin{sol}
Pour rappel, résolvons tout d'abord le problème à l'aide de l'accélération. Nous sommes dans le cas d'un MRUA. Donc, on peut écrire :
Pour résoudre le problème à l'aide de l'énergie, il faut considérer que toute l'énergie potentielle de la personne en haut du plongeoir se transforme graduellement en énergie cinétique pendant sa chute. Si le zéro de l'énergie potentielle est choisi au niveau de l'eau, le plongeur n'a plus d'énergie potentielle lorsqu'il l'atteint. Elle s'est entièrement transformée en énergie cinétique. On peut donc écrire :
Cependant, il faut remarquer que l'égalité de l'énergie potentielle et de l'énergie cinétique dérive du théorème de conservation de l'énergie mécanique. En effet, comme c'est le cas ici, en l'absence de forces non conservatives, on peut écrire :
Remarquons enfin, que le problème est ici tout aussi facile à résoudre des deux manières. Cependant, dans le premier cas, on a pu le faire car on sait qu'une chute libre est un MRUA. Pour d'autres types de mouvements, qui ne sont pas des MRUA, pour trouver la vitesse à partir de l'accélération, il faut résoudre une intégrale. Et là, cela peut être beaucoup plus difficile qu'en utilisant l'énergie.
\end{sol}
\end{ex}
\begin{ex}
On lance verticalement vers le haut un objet de poids \unit{100}{\newton} avec une vitesse initiale \(v_{o}=\unit{10}{\metre\per\second}\). A quelle hauteur \(h\) est-il momentanément arrêté ? Réponse : \unit{5,1}{\metre}.
\begin{sol}
On n'utilisera pas ici la méthode newtonienne, même si le problème peut être résolu de cette manière.
Fixons le zéro de l'énergie potentielle là où l'objet décolle. Alors, son énergie potentielle est nulle et son énergie cinétique maximale. En montant, il perd graduellement de l'énergie cinétique au profit de l'énergie potentielle. Arrivé au sommet de sa trajectoire, il s'arrête brièvement et son énergie potentielle est maximale alors que son énergie cinétique est nulle. On peut donc dire que toute son énergie cinétique du départ s'est transformée en énergie potentielle au sommet et écrire :
Une tuile d'une masse de \unit{2}{\kilo\gram} se met à glisser du haut d'un toit dont le sommet se trouve à \unit{30}{\metre}. Au moment où elle quitte le toit, sa hauteur vaut \unit{25}{\metre} (on ne tient pas compte du frottement de la tuile sur le toit). Calculez la distance au pied du toit à laquelle la tuile arrivera au sol. L'angle du toit par rapport à l'horizontale vaut \unit{15}{\degree}. Réponse : \unit{19,12}{\metre}.
\begin{sol}
Commençons par calculer la vitesse à laquelle la tuile quitte le toit. La conservation de l'énergie mécanique implique que :
Cette vitesse est un vecteur qui fait avec l'horizontale un angle de \unit{15}{\degree}. La balistique (voir annexe \ref{balistique}) nous apprend qu'il faut décomposer le mouvement sur chaque axe. En particulier la vitesse initiale a les composantes suivantes :
puisque le vecteur vitesse pointe sous l'horizontale (\(\alpha<0\)).
En choisissant un système d'axes dont l'origine est au sol et au pied du bord du toit, on peut alors écrire les équations de la position de la tuile au cours du temps :
On cherche alors la position horizontale de la tuile au moment où elle arrive au sol, soit \(x(t_{sol})\). Il faut donc calculer \(t_{sol}\). Or, à ce moment là, \(y(t_{sol})=0\). La seconde équation nous donne donc :
Une voiture de deux tonnes roulant horizontalement augmente sa vitesse de \unit{5}{} à \unit{10}{\kilo\metre\per\hour}. Quelle est l'augmentation de son énergie cinétique ? Réponse : \unit{5787}{\joule}.
Robinson Crusoé décide de s'éclairer en construisant une petite centrale électrique qui amène l'eau à travers une conduite forcée en bambou d'une hauteur de \unit{22}{\metre}. Le débit étant de \unit{30}{\litre\per\second} et le rendement faible de l'ordre de 40\%, calculez combien d'ampoules de \unit{40}{\watt} il pourra utiliser s'il branche simultanément un frigo de \unit{1}{\kilo\watt} et sa machine à laver de \unit{1,2}{\kilo\watt}. Réponse : 9.
La chute à donc une puissance de \unit{2590}{\watt}. Son frigo et sa machine à laver ont une puissance totale de \unit{2,2}{\kilo\watt}. Reste donc \(2590-2200=\unit{390}{\watt}\) pour les ampoules. Or, \(390/40=9,75\). Robinson pourra donc utiliser \(9\) ampoules.
\end{sol}
\end{ex}
\begin{ex}
Le même Robinson Crusoé veut prélever 5\% de l'eau de sa rivière (hauteur de chute \unit{22}{\metre}, débit \unit{30}{\litre\per\second} et \(\eta=40\%\)) pour faire monter mécaniquement un petit ascenseur lui permettant de s'élever en \unit{2}{\minute} de deux étages dans sa grotte. Si Robinson a une masse de \unit{60}{\kilo\gram}, que la hauteur d'un étage est de \unit{2}{\metre} et que les frottements représentent 50\% de l'énergie nécessaire pour monter, y parviendra-t-il ? Réponse : oui.
Compte tenu des frottements, l'énergie totale nécessaire est de \(2\cdot2'354,4=\unit{4'708,8}{\joule}\). Soit, pour une montée en \unit{2}{\minute}, une puissance de :
Ainsi, si \unit{40}{\watt} sont nécessaires, Robinson n'utilise certainement pas les quelques \unit{130}{\watt} fournis par la chute d'eau. L'ascenseur est donc réalisable.
\end{sol}
\end{ex}
\begin{ex}
On désire fournir \unit{3'000}{\kilo\watt\hour} d'énergie pendant une année à chacun des ménages d'une ville de 30'000 habitants. Si le nombre moyen de personnes par ménage est de deux et demi, quel doit être le débit de la conduite d'eau d'une hauteur de \unit{74}{\metre} nécessaire pour cela. Le rendement vaut \(\eta=90\%\). Quel type de turbine faut-il choisir ? Réponse : Francis.
\begin{sol}
Le nombre de ménages est de \(30'000/2,5=12'000\). Il faut donc fournir une énergie de :
Un vent de force 4 sur l'échelle Beaufort, soufflant à \unit{21,6}{\kilo\metre\per\hour}, fait tourner une éolienne dont les pales ont une longueur de \unit{22}{\metre}. Quelle est la puissance du vent qui traverse cette éolienne ? La masse volumique de l'air est : \(\rho=\unit{1,293}{\kilo\gram\per\metre\cubed}\). Réponse : \unit{212,333}{\kilo\watt}.
\begin{sol}
La puissance du vent est donnée par la relation \ref{puissvent} :
\[P_{vent}=\frac{1}{2}\cdot\rho\cdot S\cdot v^3\]
Soit avec une surface $S=\pi\cdot R^2$, une vitesse en unités SI \(v=\unit{6}{\metre\per\second}\) et les valeurs données :
Une éolienne a des pales dont l'extrémité tourne à une vitesse de \unit{277,2}{\kilo\metre\per\hour} et dont la longueur vaut \unit{30}{\metre}. Sachant qu'elle tourne à 90\% de la limite de Betz et que la vitesse du vent est de \unit{32,4}{\kilo\metre\per\hour}, calculez sa vitesse de rotation en tr\per\second et la puissance qu'elle fournit. La masse volumique de l'air est : \(\rho=\unit{1,293}{\kilo\gram\per\metre\cubed}\). Réponses : \unit{0,41}{tr\per\second} et \unit{710}{\kilo\watt}.
Comme l'éolienne tourne à \(\eta=90\%\) de la limite de Betz, on a, selon l'équation \ref{puissdebetz} :
\begin{align*}
\Delta P&=\eta\cdot\frac{16}{27}\cdot P_{vent}\\
&=0,9\cdot 0,593\cdot 1'332'565= \\
&=\unit{710'701}{\watt}=\unit{710}{\kilo\watt}
\end{align*}
\end{sol}
\end{ex}
\begin{ex}
Un particulier désire alimenter la lampe de son petit cabanon de jardin avec une éolienne. En admettant que le vent moyen qui va la traverser souffle à \unit{14,4}{\kilo\metre\per\hour} (3 Beaufort), que la lampe nécessite une puissance de \unit{40}{\watt} et que l'éolienne tourne à 40\% de la limite de Betz, calculez la longueur des pales nécessaires. La masse volumique de l'air est : \(\rho=\unit{1,293}{\kilo\gram\per\metre\cubed}\). Réponse : \unit{1,14}{\metre}.
Il faut donc utiliser une petite éolienne de \unit{1,14}{\metre} de rayon.
\end{sol}
\end{ex}
\subsection{Relatifs à l'énergie solaire}
\begin{ex}
On désire chauffer une masse de \unit{100}{\litre} d'eau (\(c_{eau}=\unit{4'180}\joule\per\kilo\gram\celsius)\)) en quatre heures. Quelle est la surface de panneaux solaire nécessaire. On donne \(B=0,8\), \(K=\unit{3}{\watt\per\metre\squared\celsius}\) et la différence de température entre l'intérieur et l'extérieur des capteurs \(\Delta\theta=\unit{20}{\celsius}\). La puissance du rayonnement incident est de \unit{120}{\watt\per\metre\squared}. Réponse : \unit{16,2}{\metre\squared}.
\begin{sol}
L'équation \ref{thermique}, page \pageref{thermique}, permet de calculer la puissance \(\Delta P\) nécessaire pour chauffer une masse de \unit{100}{\kilo\gram} d'eau :
Quel est le débit d'eau (\(c_{eau}=\unit{4'180}{\joule\per\kilo\gram\celsius}\)) nécessaire pour évacuer l'énergie produite par \unit{5}{\metre\squared} de capteurs solaires thermiques caractérisés par \(B=0,7\), \(K=\unit{2}{\watt\per\metre\squared\celsius}\) et la différence de température entre l'intérieur et l'extérieur des capteurs \(\Delta\theta=\unit{15}{\celsius}\). La puissance du rayonnement incident est de \unit{150}{\watt\per\metre\squared}. Réponse : \unit{21,6}{\litre\per\hour}.
\begin{sol}
On calcule tout d'abord la puissance fournie par les capteurs :
Cela signifie que les capteurs produisent une énergie \(E=\unit{375}{\joule\per\second}\). Chaque seconde, il faut donc évacuer cette énergie. La masse d'eau nécessaire pour cela est donnée par l'équation \ref{thermique}, page \pageref{thermique} :
En effet, la masse volumique de l'eau est de \unit{1}{\kilo\gram\per\litre}. Le débit est donc très faible et vaut \(D=\unit{6}{\milli\litre\per\second}=\unit{21,6}{\litre\per\hour}\).
\end{sol}
\end{ex}
\begin{ex}
Un particulier consomme \unit{2500}{\kilo\watt\hour\per an} d'énergie électrique. Il désire produire lui-même une partie de cette énergie à l'aide de cellules solaires électriques. Il installe donc \unit{8}{\metre\squared} de panneaux photoélectriques. Cela lui permet-il de subvenir à ses besoins ? Sinon, quelle est la puissance d'appoint dont il a besoin ? Il se trouve dans une région où la puissance solaire incidente est de \unit{160}{\watt\per\metre\squared}. Réponses : non et \unit{125,4}{\kilo\watt}.
\begin{sol}
L'énergie annuelle produite par les \unit{8}{\metre\squared} de cellules est, compte tenu d'un rendement d'environ 15\%, c'est-à-dire \unit{20}{\watt\per\metre\squared} :
