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Forces macroscopiques s'exerçant sur un solide

Posté par
Tux28
06-08-08 à 14:48

Citation :
Le dispositif représenté sur la figure 1 est constituué par un ressort de masse négligeable relié à un support fixe T. A l'autre extrémité du ressort est suspendu un solide S

sphérique, de masse m et de rayon r. Ce solide peut etre complètement immergé dans un liquide de masse volumique "rho".

_1) Une étude préalable du ressort a permis de représenter les variations de la valeur F de la force exercée par le ressort en fonction de son allongement Delta de L (DL).

[Le graphique donné avec la question représente une droite, bissectrice des deux axes. L'axe des abscisses représente DL en mètre, et l'axe des ordonnées représente F en Newton.

Un point est déterminé par 1,0 en ordonnée et 5,0.10^-2 en abscisses.]

Exprimer F en fonction de DL et en déduire la valeure de la constante de raideur k du ressort.


*Ici, F est en fait la tension du ressort. Par définition F=k.DL

donc k=F/DL  =>  k=20N.m^-1

Citation :
_2) Lorsque le solide n'est pas plongé dans le liquide, l'allongement du ressort DL1 est égal à 6,5cm.

  •Effectuer le bilan des forces qui s'excercent sur le solide.
  •Etablir la relation entre m, g, k et DL1 et calculer la masse m du solide.


* Lorsque le solide n'est pas plongé dans le liquide, il est soumis à deux forces :

-Son poid, vecteur P.
-La tension exercée par le ressort, vecteur T.

*Pour la relation, je ne suis pas certains de ma réponse...

P=m.g  et T=k.DL1

Or, P=T (je suppose...car je ne sais pas comment le justifier), donc m=P/g  =>  m=k.DL1/g  => m=20*6,5.10^-2 / 9,8  =>  m=132g

Merci de me corriger...


Citation :
_3) Lorsque le solide est immergé dans le liquide, l'allongement du ressort DL2 est égal à 5,0cm. Le liquide exerce sur le solide une force Fa (vecteur) appelée poussée

d'Archimmède.

•Effectuer un bilan des forces qui s'exercent sur le solide.
•Etablir la relation entre la valeur Fa de la poussée d'Archimède, m g, k et DL2 puis entre Fa, k, DL1 et DL2. Calculer Fa.
•En déduire la valeur de la masse volumique du liquide

Données : g=9,8N.Kg^-1   ;    r=2,0cm   ;  volume d'une spère : v=4/3.pie.r^3


*Lorsque le solide est immergé dans le liquide, il est soumit à trois forces :
-Son poid P
-La tension du ressort T
-La poussée d'Archimmède Fa

*Je n'ai pas trouvé les deux autres questions... Merci de m'aider


Merci pour votre aide et votre temps.
Tux

Posté par
shadowmiko Moderateur
re : Forces macroscopiques s'exerçant sur un solide 06-08-08 à 16:47

Salut!

1) ok

2) -Décris les carcatéristiques des forces...
Et la réaction du support tu en penses quoi?

-Tu es à l'équilibre, tu vois ce que je veux dire? Tu peux aussi créer un repère et utiliser le système de projections

3) -même chose: caractéristiques

-tu connais la formule de la poussée d'Archimède?

Faisons déjà ceci
Je reviens ce soir

Posté par
Tux28
re : Forces macroscopiques s'exerçant sur un solide 07-08-08 à 00:47

Bonsoir, et merci pour la réponse =)

2) Caractéristique ? C'est à dire, sens, direction, valeur ?
Quand au support, il n'y en a pas... Je suis désolé, j'aurai pu décrire le schéma. En fait, il y a un support T qu'on le peut considéré comme un plafond... Je ne sais pas si l'image va aider ^^ Il y a un ressort fixé à ce plafond qui "pend" à la verticale, et au bout de celui ci, un solide sphérique (une bille?), ça c'est dans le premier cas. Dans le deuxième cas, la bille est plongé dans un liquide qui se trouve dans un récipiçent. Donc, pas de réaction de support dans le premier cas, puisque la bille est dans le vide, et dans le deuxième cas, la réaction est la poussée d'Archimède. Non ?

A l'équilibre ? Les forces se compensent ? donc T et P se compensent ? donc ma relation est bonne ? je ne comprend pas...

3) Oui, je connais la formule, mais elle ne m'a pas aidé... Fa= masse volumique * volume * g   Je ne n'arrive pas à insérer ce que l'on me demande la dedans. =S

Merci, je repasse demain, bonne soirée

Posté par
shadowmiko Moderateur
re : Forces macroscopiques s'exerçant sur un solide 07-08-08 à 11:05

Re!

2) Oui ce sont ça les caractéristiques
Je vois très bien la situation, pas besoin de schéma... Mais le plafond, c'est le support... Exerce-t-il une force selon toi?

Oui pour la relation à l'état d'équilibre (écris la vectoriellement).

On va déjà commencer par la 2)

Posté par
Tux28
re : Forces macroscopiques s'exerçant sur un solide 07-08-08 à 19:43

2)

Alors, pour les caractéristiques des forces :

Son poid, P :
-Direction : verticale
-Sens : Vers le bas
-Valeur : P ?

Tension du ressort :

-Direction : Verticale
-Sens : Vers le haut
-Valeur : T ?

Quand à la réaction du support, il n'y en a pas ? Le ressort y est accroché, mais le support n'exerce aucune force dessus ? Enfin, dans les cas similaire que j'ai déjà rencontré en cours, je ne me souviens pas avoir déjà parlé de la réaction de ce support... Mais je me trompe peut etre ? Merci de m'expliquer


La sphère est en équilibre, donc les deux forces (vecteur) P et (vecteur) T se compensent : (vecteur)P + (vecteur)T=Vecteur nul
De ce fait :

P=m.g  et T=k.DL1

Or, P=T  donc m=P/g  =>  m=k.DL1/g  => m=20*6,5.10^-2 / 9,8  =>  m=132g   Est ce bon ? ^^


3)

*Lorsque le solide est immergé dans le liquide, il est soumit à trois forces :
Son poid P :
-Direction : Vercticale
-Sens : Vers le bas
-Valeur : P

La tension du ressort T :
-Direction : Verticale
-Sens : Vers le haut
-Valeur : T

La poussée d'Archimmède Fa :
-Direction : Verticale
-Sens : Vers le haut
-Valeur : Fa ?


* Et pour le reste, je suis toujours bloqué   


Merci beaucoup pour votre/ton aide

Posté par
Tux28
re : Forces macroscopiques s'exerçant sur un solide 08-08-08 à 16:53

Petit UP s'il vous plait =)

Posté par
Tux28
re : Forces macroscopiques s'exerçant sur un solide 09-08-08 à 11:44

S'il vous plait, si quelqu'un passe par là ^^ Je bloque toujours sur la troisième, et j'aimerai savoir si la deuxième question est bonne

Merci

Posté par
Tux28
re : Forces macroscopiques s'exerçant sur un solide 10-08-08 à 13:15

=(

Posté par
Coll Moderateur
re : Forces macroscopiques s'exerçant sur un solide 13-08-08 à 08:19

Bonjour à tous les deux,

Tux28 >> shadowmiko est actuellement empêchée de participer longuement au travail sur le forum et c'est elle qui m'a demandé de t'aider, ce que je fais volontiers.

On reprend...

1)
T = k.L
k = 1 / 5.10-2 = 20 N.m-1

2)
Bilan des forces exercées sur le solide S, sphérique de masse m et de rayon r
Son poids \vec{P},
. force verticale (sa direction)
. dirigée vers le bas (son sens)
. appliquée au centre de gravité (le centre de la sphère si elle est homogène)
. d'intensité m.g
en notant g l'intensité de l'accélération due à la pesanteur ; tu adoptes g = 9,8 N.kg-1

La tension du ressort
. force verticale
. dirigée vers le haut
. appliquée au point d'attache
. d'intensité T

Il y a une troisième force que l'on négligera : la poussée d'Archimède dans l'air dont la masse volumique est bien inférieure à celle du solide (à confirmer dans la suite du problème).

Première loi de Newton : puisque le corps est en équilibre dans le référentiel terrestre supposé galiléen c'est que la somme (vectorielle) des forces qui lui sont appliquées est nulle.

Donc, \vec{P}\,+\,\vec{T}\,=\,\vec{0}

ou encore \vec{T}\,=\,-\vec{P}

ceci permet de connaître la masse du solide.
||\vec{T}|| = k.L1

m = ||\vec{P}|| / g = ||\vec{T}|| / g = k.L1 / g

3$\red\fbox{m\,=\,\frac{k.\Delta L_1}{g}}

Application numérique :

m = 20 6,5.10-2 / 9,8 0,133 kg ou 133 g

Je poste ceci et je continue pour la question 3

Posté par
Coll Moderateur
re : Forces macroscopiques s'exerçant sur un solide 13-08-08 à 08:29

Question 3 :

Tout d'abord quelques remarques sur les notations
. le symbole de kilogramme est kg avec un k minuscule
. la constante peut éventuellement s'écrire "pi" mais pas "pie"... ça, c'est un oiseau !

Bilan des forces :
Le poids : comme à la question précédente

La tension du ressort : comme à la question précédente, mais son intensité est plus faible et c'est pour cela que son allongement est plus faible

La poussée d'Archimède due au liquide de masse volumique "rho"
. force de direction verticale
. force dirigée vers le haut
. appliquée au centre de poussée du solide (le centre de la sphère)
. d'intensité égale au poids du volume de liquide déplacé

Le volume de liquide est égal au volume du solide V
la masse de liquide déplacé est V.
le poids de liquide déplacé est V..g

Posté par
Coll Moderateur
re : Forces macroscopiques s'exerçant sur un solide 13-08-08 à 08:52

Une fois le solide immobile dans le liquide il est possible d'appliquer à nouveau la première loi de Newton :

\vec{P}\,+\,\vec{T}\,+\,\vec{F_A}\,=\,\vec{0}

Cette égalité vectorielle peut être projetée sur un axe vertical, ce qui permet d'écrire pour les intensités de ces forces :

m.g = k.L2 + V..g

Première relation que l'on te demande d'établir :

m.g = k.L2 + FA
et donc

3$\red\fbox{F_A\,=\,m.g\,-\,k.\Delta L_2}

Mais en tenant compte de la relation établie pour m

3$\red\fbox{F_A\,=\,k\(\Delta L_1\,-\,\Delta L_2\)}

Application numérique :

Intensité de la poussée d'Archimède :

FA = 20(6,5.10-2 - 5,0.10-2) = 0,3 N

En déduire la masse volumique du liquide :
FA = V..g
et donc
= FA/(V.g)

en kg.m-3 si FA est en newton, V en m3 et g = 9,8 N.kg-1

Je te laisse l'application numérique... fais attention aux unités !

Pose des questions si quelque chose n'est pas clair.
Demande de l'aide si nécessaire.

Posté par
Tux28
re : Forces macroscopiques s'exerçant sur un solide 13-08-08 à 13:39

Merci beaucoup pour toute tes réponses Coll. Je vais relire et refaire tous ça, et je reposte pour l'application numérique, et si j'ai un problème avec quoique ce soit !

Bonne journée

Posté par
Tux28
re : Forces macroscopiques s'exerçant sur un solide 13-08-08 à 14:57

Alors j'ai compris toute tes explications sans problèmes, c'était très clairement présenté, merci

Par contre, j'ai un doute sur la dernière application numérique, par rapport à V.

V=4/3*pi*r^3  c'est bien ça ?

Donc

rho= FA/(V.g)
rho= 0,3 / (4/3)*pi*(2,0.10^-2)^3*9,8
rho= 8,8.10^-2 kg.m^-3

Je doute un peu de mon calcul...

Posté par
Coll Moderateur
re : Forces macroscopiques s'exerçant sur un solide 13-08-08 à 15:42

Le résultat numérique est faux.

Ceci est juste :

3$\rho\,=\,\frac{F_A}{V\,.\,g}\,=\,\frac{F_A}{\frac{4}{3}\,\pi\,r^3\,g}\,=\,\frac{0,3}{\frac{4}{3}\,\pi\,(2,0.10^{-2})^3\,\times\,9,8}

Veux-tu que je te dise pourquoi le résultat est faux ?
Selon moi parce que tu rentres l'expression dans ta calculatrice tout à fait comme tu l'écris dans ce forum. Or tu n'utilises pas les parenthèses et... cela ne pardonne pas !

Lis ceci : [lien]

et... recommence l'application numérique.

Pour information, mais tu le sais sûrement, la masse volumique de l'eau est voisine de 1 000 kg.m-3 (elle dépend de la température) ; donc un liquide autre que l'eau (mais semblable à l'eau ; pas le mercure !) a une masse volumique voisine de cette valeur.

Posté par
Tux28
re : Forces macroscopiques s'exerçant sur un solide 13-08-08 à 16:03

Rho= 913,5 kg.m^3 ?

Ca convient déjà mieux avec ce que tu m'as expliqué à propos de la masse volumique de l'eau...

Posté par
Coll Moderateur
re : Forces macroscopiques s'exerçant sur un solide 13-08-08 à 16:15

Assez bien !

Attention à l'écriture des unités (quand tu comprendras bien les unités tu feras un immense progrès en physique) : une masse volumique est le quotient d'une masse par un volume ; donc l'unité du système international est le kg/m3 ce qui s'écrit aussi kg.m-3

Une petite remarque : il n'est pas très facile de mesurer la masse volumique d'un liquide avec 4 chiffres significatifs.

Il y a l'étalonnage du ressort, la mesure de ses allongements avec 2 chiffres significatifs, la mesure du diamère de la bille (et donc de son rayon) avec 2 chiffres significatifs, l'accélération due à la pesanteur (g) également avec 2 chiffres significatifs...

Admettons que la réponse soit = 914 kg.m-3

Mais il faudrait plutôt un chiffre significatif de moins qu'un de plus.

Voilà !

Posté par
Tux28
re : Forces macroscopiques s'exerçant sur un solide 13-08-08 à 16:38

Merci beaucoup pour ton aide et toutes ces explications.

Je suis désolé pour les notation, "pi", "rho", et les puissances, mais je suis en vacances sur un portable, et je n'arrive pas à écrire les caractères spéciaux, et à me servir du latex. Je rentre samedi, et je reposterai surement pour d'autres exercices, qui seront cette fois ci plus clairs, je l'espère ^^

Enfin bref, merci pour celui ci ! Bonne continuation, et à bientot...

Posté par
Coll Moderateur
re : Forces macroscopiques s'exerçant sur un solide 13-08-08 à 16:45

Aucun problème ; je ne te fais pas de "reproches". J'essaye d'attirer ton attention sur certains points pour t'aider...

Je t'en prie et à une prochaine fois !

Posté par
shadowmiko Moderateur
re : Forces macroscopiques s'exerçant sur un solide 15-08-08 à 00:26

Merci d'avoir pris le relais Coll! T'es un boss



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