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Niveau maths sup
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2 inconnues

Posté par
dtshp
06-09-17 à 20:51

Bonjour,
je suis sur un exercice de mécanique : il s'agit d'un lancer de ballon. Le but de l'exercice est de déterminer  la vitesse minimale à donner au ballon afin qu'il atteigne sa cible. Il ne m'est pas donné l'angle \alpha avec lequel est initialement lancé le ballon, cependant je dispose de 2 "expériences", i.e. deux couples de valeurs (z_1,x_1) et (z_2,x_2) et c'est précisément la vitesse initiale de l'expérience 2 que je cherche à déterminer.

J'ai établi l'équation z(x) de la chute libre, je cherche maintenant à exprimer \alpha de l'expérience 1  en fonction de ma vitesse initialeV_0, pour ensuite réinjecter cette expression dans l'équation de ma deuxième expérience, pour qu'il ne me reste plus qu'une seule inconnue.

Le problème c'est que j'obtient V_0^2=\dfrac{gx_1^2}{2\cos^2\alpha(\tan( \alpha )x-z_1)} donc l'expression de \alpha en fonction de V_0 me semble inatteignable.
Quelqu'un aurait-il des idées de simplifications ou alors une autre démarche à aborder  afin d'obtenir cette vitesse initiale de la seconde expérience ?
Merci d'avance

Posté par
dirac
re : 2 inconnues 06-09-17 à 21:03

Hello

Question candide: ... à quoi correspondent (x1,y1) et (x2,y2)?
Il me semble indispensable que nous en dise plus sur ton dispositif expérimental/l'énoncé du pbm qui t'est posé.

A moins bien sûr que ce problème soit un "classique" où d'autres pourront lire entre les lignes

Posté par
Prise
re : 2 inconnues 06-09-17 à 23:32

Bonsoir, personnellement j'obtiens :

g*x1²/v0² = -z1*(1+cosa)+x1*sin(2a) et idem pour (x2,z2)

Je ne suis pas sûr qu'on puisse résoudre ce système par le calcul , il faudrait soit faire un DL, soit faire le calcul par ordi, mais sans valeur de (x1,z1),(x2,z2)...

S'il y a une astuce de calcul j'aimerais que tu la partages !

Posté par
krinn Correcteur
re : 2 inconnues 07-09-17 à 07:32

Bonjour
On a :. 1/cos2a = 1 + tg2 a

Ce qui donne une équation du second degré en tg( a )

Ceci dit il faudrait donner l' énoncé complet pour savoir si c est vraiment ce qu on te demande

Posté par
dirac
re : 2 inconnues 07-09-17 à 10:30

Re,

Rebondissant allègrement sur le message de Krinn, et n'ayant toujours pas compris le protocole des 2 expériences qui étaient mises en oeuvre, je vais répondre à une question qui n'est peut être pas celle posée

Je lance depuis l'origine un ballon (avec une vitesse initiale v0 sous une incidence ) et je souhaite que le ballon touche une cible en (X,Z). Comment dois je procéder afin que le lancer se fasse avec une vitesse initiale minimale  

première considération: l'énergie cinétique du ballon devant "vaincre" l'énergie potentielle de pesanteur, nous minimiserons la vitesse lorsque que la cible sera au sommet de la trajectoire (si la cible au dessus du sommet, elle ne sera pas atteinte , si la cible est au dessous du sommet c'est que le sommet est plus haut et donc que la vitesse v0 était plus importante)

La trajectoire est bien sûr parabolique et l'abscisse du sommet est le célèbre (-b/2a).

L'équation cartésienne de la trajectoire étant: z = -\frac{1}{2}\frac{gx^2}{v_0^2cos^2\alpha} + tg\alpha x

L'abscisse du sommet est X = \frac{v_0^2sin2\alpha}{2g}

La vitesse minimale est donc v_0 = \sqrt{\frac{gX}{sin\alpha.cos\alpha}} (l'utilisation de l'angle double n'est finalement pas opportune)

se déterminant ensuite en fonction de X et Z  en réinjectant en (X,Z) dans l'équation cartésienne l'expression trouvée de v0.

Sauf étourderie de ma part:  tg\alpha = \frac{2Z}{X}

Ce qui conduit, sauf nouvelle étourderie à la valeur minimale de v0 pour atteindre une cible en (X,Y) à:

v_0^2 = 2gZ(1+(\frac{2Z}{X})^2)^{-1}

Posté par
Prise
re : 2 inconnues 07-09-17 à 12:33

Bien vu krinn, tu obtiens ainsi une expression de tan(alpha) en fonction de v_0 que tu réinjectes, les calculs sont ingrats, bon courage !

Posté par
dirac
re : 2 inconnues 08-09-17 à 05:23

@Prise

Citation :
les calculs sont ingrats, bon courage !


Les calcul menant aux résultats ci dessus sont  assez directs au contraire (je les détaille si tu le souhaites). Je te recommande, en Prépa, de ne pas te laisser "décourager" par la manipulation d'expressions littérales:  certains sujets de concours peuvent s'avérer bien plus "ingrats", quant à la vraie vie du scientifique ensuite ...     Courage!

Posté par
dtshp
re : 2 inconnues 09-09-17 à 23:14

Bonsoir,

Merci à tous pour vos réponses.
Je m'étais finalement fait avoir par l'énoncé piégeur : en effet, il faut considérer un seul lancer d'un ballon de basket qui doit atteindre son panier, celui du record du monde, tiré à 33,45m
En repartant de l'équation z=\dfrac{-gx^2}{2v_0^2}(1+\tan^2x)+\tan (\alpha)x, mon professeur m'a indiqué qu'à une vitesse v_0 minimale, il ne correspond qu'un unique angle. Par conséquent le discriminant de l'équation cartésienne était nul. Partant de là, j'obtient x^2=\dfrac{4gx^2}{2v_0^2} \left ( z+\dfrac{gx^2}{2v_0^2} \right)
Cependant, avec mes valeurs x=34,3m z=1,05m (différence entre hauteur du panier i.e. 3,05m et la taille du basketteur bras levés i.e. 2m) j'obtient (avec un solveur) v_0=18,6 m/s.

En prenant votre méthode, même si je n'ai pas clairement compris comment \tan \alpha=\dfrac{2z}{x}, j'obtient v=4,5m/s.
Me voila fort embêté devant deux valeurs qui me semblent inhabituelles, du moins, je crois.

Posté par
dirac
re : 2 inconnues 10-09-17 à 16:24

Alors:

Citation :
z=\dfrac{-gx^2}{2v_0^2}(1+\tan^2x)+\tan (\alpha)x


On est d'accord

Citation :
mon professeur m'a indiqué qu'à une vitesse v_0 minimale, il ne correspond qu'un unique angle


On est d'accord, mais je trouve dommage de ne pas le justifier par la seule considération "physique" de l'exercice alors que tout le reste n'est que de la "plomberie" mathématique (une peu comme aller visiter Brest sans jeter un oeil à la rade!). Je t'invite à réfléchir un instant à la justification "physique" que je te proposais plus haut: vitesse minimale -> énergie minimale -> cible atteinte lorsque elle est le sommet de la trajectoire parabolique

Citation :
Par conséquent le discriminant de l'équation cartésienne était nul.


Nous sommes encore d'accord: discriminant nul, sommet de la trajectoire, racine double, x = -b/2a. Tout ceci va ensemble bien sûr.

Citation :
x^2=\dfrac{4gx^2}{2v_0^2} \left ( z+\dfrac{gx^2}{2v_0^2} \right)


Concernant notre désaccord sur la résultat final (je me sais étourdi, donc la boulette est peut être de mon côté), je regarderai dans la soirée (sauf si qlq un s'y colle entre temps) et te proposerai les étapes de calcul selon les 2 cheminements.

Posté par
dtshp
re : 2 inconnues 10-09-17 à 20:58

Bonsoir,
j'ai un petit peu travaillé dessus et je crois que j'ai plutôt bien compris au niveau de l'énergie minimale ! (pour un brestois je comprends bien pour la rade ) .
Merci à vous !

Posté par
dirac
re : 2 inconnues 11-09-17 à 14:54

Cher DTSHP   je te dois de plates excuses

J'ai voulu être rapide avec mon raisonnement énergétique et je me suis pris les pieds dans le tapis car arrivé au somment de la trajectoire, mon ballon a toujours une énergie cinétique  1/2mv02cos2

Pour tenter de rattraper le coup en restant cependant sur un raisonnement "physique":

1) l'énergie mécanique du ballon est constante et vaut \frac{1}{2}mv_0^2

2) En notant u = tg\alpha  et (X,Y)  les coordonnées de la cible

L'équation cartésienne de la trajectoire parabolique nous amène à:

v_0^2 = \frac{1}{2}\frac{gX^2(1+u^2)}{uX-Z}

La recherche du minimum de cette fonction de u conduit à la valeur u_m:

u_m = \frac{Z}{X}(1+\sqrt{1 + (\frac{X}{Z})^2})

Et à une vitesse minimale:

v_0^2 = gZ(1+\sqrt{1 + (\frac{X}{Z})^2})

Numériquement cela donne 18,62 m/s. Ouf on est sauvé!

Désolé pour cette boulette dont la taille j'en conviens était de nature à boucher notre belle rade de Brest   

A ta disposition pour détailler les étapes du calcul littéral si besoin



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