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Niveau maths spé
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Changement de referentiel

Posté par
pfff
09-09-21 à 03:02

Bonjour, j'aimerais un peu d'aide pour cet exercice. Merci

ENONCE

Les berges d'un fleuve sont parallèles et la distance qui les sépare
est d = 400 m. On suppose que la vitesse de l'eau est constante et
egale à \vec{u}. Un bateau part d'un point A sur une berge et veut atteindre le point B situé sur l'autre rive, exactement en face de A, selon une trajectoire rectiligne.
Pour ce faire, il part de A avec une vitesse relative constante \vec{Vr} faisant un angle avec la berge. Il atteint B au bout d'une durée t.

1.Determiner la vitesse relative Vr et l'angle .
  Application numérique : u = 2m/s ; l = 400m ; t = 25 min

Le bateau part maintenant d'un point A d'une berge avec une vitesse relative constante   pour atteindre un point C quelconque de l'autre berge.

2.Determiner l'orientation de    pour que la durée de la traversée soit minimale.

3.Quelle est cette durée minimale, quel est le chemin alors parcouru ?

PISTES DE RECHERCHES

1. Vr = l/t = 0.3 m/s

je n'arrive pas à trouver l'angle

Merci de m'aider

Posté par
vanoise
re : Changement de referentiel 09-09-21 à 09:45

Bonjour
Il faut utiliser la composition des vitesses :  en vecteur :
La vitesse absolue (celle du bateau par rapport à la berge) est égale à la somme de la vitesse relative (celle du bateau par rapport à l'eau) et de la vitesse d'entraînement (celle de l'eau par rapport à la berge).
Aide-toi d'un schéma que tu pourras éventuellement scanner et poster ici.
Je te olaisse réfléchir et poster une solution.

Posté par
pfff
re : Changement de referentiel 09-09-21 à 19:22

Vous ne m'avez pas répondu pour la 1ere question.  
J'ai trouvé Vr = 0,3 m/s.  et phi =π/2


2- On a deux référentiels : un référentiel absolu d'origine A
et un référentiel relatif d'origine l'eau ayant tous deux leurs axes parallèles

Changement de referentiel

Posté par
vanoise
re : Changement de referentiel 09-09-21 à 21:00

Tu n'as pas compris. La vitesse du bateau par rapport à la terre, c'est à dire la vitesse absolue \overrightarrow{v_{a}} doit être orientée de A vers B, le point sur l'autre berge en face de A. Le point C de ta figure est sans intérêt. Tu connais la vitesse d'entraînement : celle de l'eau par rapport à la terre :

\overrightarrow{v_{e}}=\overrightarrow{u}

Ces deux vecteurs sont parfaitement définis, à la fois en direction, en sens et en norme puisque :


 \\ \Vert\overrightarrow{v_{a}}\Vert=\frac{l}{t} où l désigne la largeur du fleuve, également notée ”d” dans ton énoncé...

Facile alors d'obtenir le vecteur vitesse relative puisque :

\overrightarrow{v_{a}}=\overrightarrow{v_{e}}+\overrightarrow{v_{r}}\quad;\quad\overrightarrow{v_{r}}=\overrightarrow{v_{a}}-\overrightarrow{v_{e}}

Tu postes au niveau math spé : j'imagine que tirer les conséquences d'une soustraction de deux vecteurs ne te pose pas de difficulté. Tu peux évidemment t'aider d'un schéma où seront représentés les divers vecteurs vitesse.

Posté par
pfff
re : Changement de referentiel 09-09-21 à 21:59

j'ai très bien compris maitenant

\vec{v_r} = \vec{v_a} - \vec{v_e} \Rightarrow \bigl(\begin{smallmatrix} 0 & \\ 0,3& \end{smallmatrix}\bigr) -\bigl(\begin{smallmatrix} u & \\ 0& \end{smallmatrix}\bigr) =\bigl(\begin{smallmatrix} u & \\ 0,3& \end{smallmatrix}\bigr)

et donc v_r = \sqrt{u²+(0,3)²}
v_r = 2,02 \: m/s

comment je determine l'angle alors ?

Posté par
pfff
re : Changement de referentiel 09-09-21 à 22:00

la chose qui m'a melangé c'est que dans l'énoncé c'est dit :

Citation :
Pour ce faire, il part de A avec une vitesse relative constante \vec{Vr} faisant un angle avec la berge


c'est comme si en A il avait deja la vitesse relative

Posté par
vanoise
re : Changement de referentiel 09-09-21 à 23:03

Ta figure ne précise pas le repère de projection et les vecteurs unitaires ; difficile de vérifier tes résultats...
Autre chose : cet énoncé ne semble pas se préoccuper du nombre de chiffres significatifs ; dans ces conditions, pour ne pas risquer d'être pénalisé un jour de concours ou d'examen, il est préférable de conserver en mémoire de la calculatrice tous les chiffres significatifs pour arrondir seulement le résultat final. Trop d'arrondis dans les calculs intermédiaires finissent par fournir au final un résultat erroné. Il ne faut pas arrondir la norme du vecteur vitesse absolue à 0,3m/s pour le calcul de la norme du vecteur vitesse relative.
Représente les trois vecteurs vitesse sur la figure. Tu verras qu'il est assez facile alors d'obtenir la valeur de l'angle .

Posté par
pfff
re : Changement de referentiel 09-09-21 à 23:52

Voici mon schéma

Changement de referentiel

* mmalou > Image recadrée *

Posté par
vanoise
re : Changement de referentiel 10-09-21 à 12:06

OK pour le repère et les vecteurs \vec{v_a} et \vec{v_e} mais le représentant du vecteur \vec{v_r} ?
Ce tracé te permettra de visualiser l'angle puis de le calculer. Au niveau math spé, cela ne devrait pas poser de problème, surtout après le rappel de krinn dans son récent message du  09-09-21 à 20:27 !
Il te faut reprendre le calcul des normes des différents vecteurs vitesse en tenant compte de mes remarques sur le nombre de chiffres significatifs.

Posté par
pfff
re : Changement de referentiel 10-09-21 à 16:21

Je comprends pas je n'ai pas bien représenter Vr ?

Posté par
pfff
re : Changement de referentiel 10-09-21 à 20:54

svp je ne peux pas continuer l'exercice sans votre reponse

Posté par
vanoise
re : Changement de referentiel 10-09-21 à 22:27

Ta représentation de  \vec{v_r} est totalement irréaliste ! le courant tend à entraîner le bateau dans le sens du courant donc dans le sens positif de l'axe (Ax). Pour que le bateau puisse se déplacer en ligne droite vers B, il faut nécessairement que le vecteur  \vec{v_r} ait une composante négative suivant l'axe des x .
Le schéma ci-dessous devrait t'aider. Attention : il n'est pas à l'échelle pour plus de clarté. Je n'y ai fait qu'illustrer la relation vectorielle :


 \\ \overrightarrow{v_{r}}=\overrightarrow{v_{a}}-\overrightarrow{v_{e}}
 \\
Reprends aussi le calcul de la norme vr en tenant compte de mes précédentes remarques.

Changement de referentiel

Posté par
pfff
re : Changement de referentiel 11-09-21 à 00:02

\vec{v_r} = \vec{v_a} - \vec{v_e} \Rightarrow \bigl(\begin{smallmatrix} 0 & \\ v_a& \end{smallmatrix}\bigr) -\bigl(\begin{smallmatrix} u & \\ 0& \end{smallmatrix}\bigr) =\bigl(\begin{smallmatrix} u & \\ v_a& \end{smallmatrix}\bigr)

et donc v_r = \sqrt{u²+(v_a)²}

Posté par
pfff
re : Changement de referentiel 11-09-21 à 00:03

Excusez moi

Changement de referentiel

Posté par
pfff
re : Changement de referentiel 11-09-21 à 00:05

Il suffit donc d'appliquer tan et on trouve la valeur de l'angle

Tan = va/ve

Posté par
vanoise
re : Changement de referentiel 11-09-21 à 06:18

D'accord pour la tangente, notée habituellement "tan" et non Tan..
Étourderie de signe :

\vec{v_{r}}=\vec{v_{a}}-\vec{v_{e}}\Rightarrow\bigl(\begin{smallmatrix}0\\
 \\ v_{a}
 \\ \end{smallmatrix}\bigr)-\bigl(\begin{smallmatrix}u\\
 \\ 0
 \\ \end{smallmatrix}\bigr)=\bigl(\begin{smallmatrix}-u\\
 \\ v_{a}
 \\ \end{smallmatrix}\bigr)

Posté par
pfff
re : Changement de referentiel 11-09-21 à 09:49

Merci bien

Citation :
Le bateau part maintenant d'un point A d'une berge avec une vitesse relative constante   pour atteindre un point C quelconque de l'autre berge.


Quelle serait la différence entre le premier schéma et celui que je dois représenter pour cette deuxième partie ?

Posté par
vanoise
re : Changement de referentiel 11-09-21 à 11:10

Le vecteur \vec {v_a} est maintenant orienté de A vers C ; l'angle entre l'axe (Ax) et ce vecteur peut prendre une valeur quelconque telle que :
0<<  (en radians).

Posté par
pfff
re : Changement de referentiel 11-09-21 à 12:48

mais pourquoi dans les deux questions, les énoncés disent qu'il part du point A avec une vitesse relative ?

Normalemant en A  c'est la vitesse absolue.

Je n'arrive pas à comprendre

Posté par
vanoise
re : Changement de referentiel 11-09-21 à 15:48

Puisque \vec{v_r} est un vecteur constant et que \vec{v_e} est aussi un vecteur constant, le vecteur somme, c'est à dire le vecteur \vec{v_a} est aussi un vecteur constant au cours du mouvement ; le mouvement de A à C est un mouvement rectiligne uniforme. En tout point de la trajectoire, c'est à dire du segment [AC], les trois vecteurs existent avec la relation entre les trois :


 \\ \overrightarrow{v_{a}}=\overrightarrow{v_{e}}+\overrightarrow{v_{r}}
Ton message de 12h48 n'a pas de sens dans ces conditions, même s'il est commode de représenter, comme je l'ai fait, les trois vecteurs vitesse au point A.
Il faut reprendre la représentation des trois vecteurs vitesse sur le modèle de mon schéma mais avec un vecteur   \vec {v_a}  maintenant orienté de A vers C , soit incliné de l'angle quelconque par rapport à l'axe (Ax).
Tu n'as sans doute pas le temps d'utiliser un logiciel pour le schéma mais essaie tout de même de faire quelque chose de propre et de soigné : traits tirés à la règle, indication claire des angles...

Citation :
2.Determiner l'orientation de    pour que la durée de la traversée soit minimale.

L'espace laissé en blanc correspond à la vitesse absolue ou à la vitesse relative ? Selon la réponse à cette question, il faudra privilégier dans les calculs l'angle ou l'angle . ???

Posté par
pfff
re : Changement de referentiel 11-09-21 à 17:31

Changement de referentiel

Posté par
pfff
re : Changement de referentiel 11-09-21 à 17:44

Citation :
2.Determiner l'orientation de  \vec{V_r}  pour que la durée de la traversée soit minimale.


Voici comment j'ai fait

\vec{v_a} = v_e + v_r\Rightarrow \vec{v_r} = \vec{v_a}-\vec{v_e}
 \\                \vec{v_r} = \begin{pmatrix} v_acos\theta & \\ v_asin\theta & \end{pmatrix} - \begin{pmatrix} u & \\ 0& \end{pmatrix}


et donc \vec{v_r} = \begin{pmatrix} v_acos\theta -u & \\ v_asin\theta & \end{pmatrix}

Posté par
vanoise
re : Changement de referentiel 11-09-21 à 17:51

Non ! tu raisonnes comme si l'angle était onfondu avec l'angle . Ces deux angles ne sont pas égaux a priori !

Changement de referentiel

Posté par
pfff
re : Changement de referentiel 11-09-21 à 18:20

l'angle doit il apparaitre dans les coordonnées de Vr ?

Posté par
pfff
re : Changement de referentiel 11-09-21 à 18:21

Citation :
Non ! tu raisonnes comme si l'angle était onfondu avec l'angle . Ces deux angles ne sont pas égaux a priori !


Je n'ai pas bien compris votre remarque

Posté par
vanoise
re : Changement de referentiel 11-09-21 à 19:31

Citation :
l'angle doit il apparaitre dans les coordonnées de Vr ?

Oui ! C'est d'ailleurs une condition sur que l'on obtient de façon très simple pour minimiser le temps de traversée. Je t'ai posé à 15h48 une question pour savoir s'il fallait trouver uniquement la valeur de ou également la valeur de minimisant la durée de traversée. Tu ne m'as pas répondu.

Posté par
pfff
re : Changement de referentiel 11-09-21 à 19:44

mais l'angle c'est l'angle de Va

Posté par
pfff
re : Changement de referentiel 11-09-21 à 19:45

Pour la question je me dis qu'il faut trouver seulement

Posté par
vanoise
re : Changement de referentiel 11-09-21 à 19:48

OK ; commence effectivement par trouver la condition sur qui minimise la durée de traversée. Le résultat est très simple mais demande à être démontré rigoureusement...

Posté par
pfff
re : Changement de referentiel 12-09-21 à 01:00

Comme je l'avais dit :

\vec{v_r} = \begin{pmatrix} v_acos\theta -u & \\ v_asin\theta & \end{pmatrix}    (1)

Or,

v_a = \frac{AC}{t}=\frac{\sqrt{l²+BC²}}{t}    

cos\theta =\frac{BC}{\sqrt{l²+BC²}}   et    sin\theta =\frac{l}{\sqrt{l²+BC²}}

en remplaçant dans (1), j'obtiens :

\vec{V_r} : \begin{cases} & \text{ } v_r_x = \frac{BC}{t} - u =- v_rcos\varphi \; \; \; \; (*)\\ & \text{ } v_r_y = \frac{l}{t} = v_rsin\varphi \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; (**) \end{cases}


(**) \Rightarrow t = \frac{l}{v_rsin\varphi }

Pour que t soit minimal il faut que sin soit maximale ( sin =1)

Ainsi = /2

Posté par
vanoise
re : Changement de referentiel 12-09-21 à 10:19

C'est bien cela !
La suite est facile. Là encore, tu as intérêt à faire un schéma représentant les trois vecteurs vitesse dans le cas =/2 rad

Posté par
pfff
re : Changement de referentiel 12-09-21 à 11:39

Le schéma devient donc :

Changement de referentiel

Pour la durée minimale, je remplace dans (*) j'obtiens

t_{min} = \frac{BC}{u}

Ce qui est logique car moins C est éloigné moins sera la durée de traversée

Posté par
pfff
re : Changement de referentiel 12-09-21 à 11:40

Citation :
Ce qui est logique car moins C est éloigné moins sera la durée de traversée


Rectificatif : moins C est éloigné de B

Posté par
pfff
re : Changement de referentiel 12-09-21 à 11:41

Le chemin parcouru consiste à trouver AC ?

Posté par
pfff
re : Changement de referentiel 12-09-21 à 11:46

si oui

on a deja AC = \sqrt{l²+BC²} Or BC = ut

donc AC = \sqrt{l²+u²t²}  or d'après (**) t = \frac{l}{v_r}

donc AC = \sqrt{l²+u²\frac{l²}{v_r²}}

finalement AC = AC =l \sqrt{1+\frac{u²}{v_r²}}

Posté par
vanoise
re : Changement de referentiel 12-09-21 à 12:38

D'accord !

Posté par
pfff
re : Changement de referentiel 12-09-21 à 13:49

Merci beaucoup pour votre aide



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