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Niveau maths spé
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4 Ressorts sur un cercle

Posté par
MerleTigre
07-07-22 à 19:19

Salut,
Je suis bloqué sur l'exercice suivant:
On s'intéresse au mouvement d'un point M de masse m relié à 4 ressorts de constante de raideur k et de longueur à vide R. Les ressorts sont accrochés aux 4 extrémités d'un cercle de rayon R en rotation à la vitesse \Omega constante (cf figure ci-dessous).
1) Déterminer la résultante des forces de rappel élastique.
J'ai trouvé \vec{F_{el}}=-2k(x\vec{e_{x}}+y\vec{e_{y}})
2) Déterminer l'équation du mouvement et la résoudre.
Pour cela je me suis placé dans le référentiel du cercle et j'ai appliqué le PFD: m\vec{a_{r}}=\vec{F_{el}}+m \Omega^{2}\vec{OM}-2m \vec{\Omega} \wedge \vec{v_{r}} avec \vec{v_{r}} la vitesse relative au référentiel du cercle et \vec{a_{r}} sa dérivée.
J'obtiens le système m \ddot x = (m\Omega^{2}-2k)x+2m\Omega \dot y et m \ddot y = (m\Omega^{2}-2k)y-2m\Omega \dot x que je ne sais pas résoudre...
Ai-je fais une erreur?

4 Ressorts sur un cercle

Posté par
vanoise
re : 4 Ressorts sur un cercle 07-07-22 à 20:22

Bonsoir
une des méthodes possibles de découplage consiste à introduire la variable u=x+i.y

Tu multiplies ta seconde équation différentielle par "i" et tu additionne membre à membre avec la première.Tu vas obtenir une équation différentielle vérifiée par la seule inconnue "u".
Je vais vérifier ton travail d'ici ce soir.

Posté par
vanoise
re : 4 Ressorts sur un cercle 07-07-22 à 23:08

J'imagine qu'il faut considérer les variations de longueurs des ressorts très petites devant R, sinon l'expression de la force élastique est nettement plus compliquée me semble-t-il...

Posté par
MerleTigre
re : 4 Ressorts sur un cercle 07-07-22 à 23:10

C'est ce que j'ai fait(je me suis limité à l'ordre 1)

Posté par
vanoise
re : 4 Ressorts sur un cercle 08-07-22 à 12:22

D'accord avec tes calculs dans ces conditions.La méthode d'utilisation de la variable complexe u est ainsi une bonne méthode pour passer de tes deux équations différentielles couplées à une équation différentielle du deuxième ordre très classique.
rem1 : puisque, par hypothèse, M reste proche du centre O du cercle, la force de rappel élastique est nettement plus force que la force centrifuge : 2k>m2 . On peut poser :

\omega^{2}=2\frac{k}{m}-\Omega^{2}

Les équations différentielles couplées s'écrivent ainsi plus simplement :

\begin{cases}
 \\ \ddot{x}=-\omega^{2}.x+2\Omega.\dot{y}\\
 \\ \ddot{y}=-\omega^{2}.y-2\Omega.\dot{x}
 \\ \end{cases}

rem2 : ce problème présente une analogie forte avec l'étude du pendule de Foucault...

Posté par
vanoise
re : 4 Ressorts sur un cercle 08-07-22 à 15:47

Voici une simulation de la trajectoire avec pour conditions initiales :
xo=1cm
yo=0
vitesse initiale nulle
=10rad/s
=1rad/s
N'hésite pas à poser des questions complémentaires si tu le juges utile. Si j'ai le temps, je posterai une simulation du mouvement si cela est accepté par le forum.

4 Ressorts sur un cercle

Posté par
MerleTigre
re : 4 Ressorts sur un cercle 08-07-22 à 18:35

Merci beaucoup!

Posté par
vanoise
re : 4 Ressorts sur un cercle 09-07-22 à 15:57

Si cela peut aider à mieux comprendre : voici une animation au format mp4 du mouvement de M. Pour obtenir un fichier léger, je me suis limité aux deux premiers "aller-retour". Cela me semble suffisant pour bien visualiser comment le point M se déplace.



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