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Niveau maths sup
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Etude de la trajectoire d'un astre

Posté par
Sup35
28-02-10 à 11:41

Bonjour, j'ai un DL à rendre pour demain et il me reste 2 - 3 questions à faire mais je rame un peu ...

Voilà le sujet:

Dans ce problème, on considère le soleil comme un astre à symétrie sphérique dont le centre S peut être pris comme l'origine d'un référentiel galiléen (référentiel de Copernic). On étudie le mouvement d'un astre M assimilable à un point matériel de masse m; celui-ci n'est soumis qu'à la force de gravitation due au soleil dans les parties I, II, III. On note G la constante de gravitation universelle et Ms la masse du soleil.

Données: G = 6,67 x 10^-11 SI et Ms = 2 x 10^30 kg

I - Etude générale des trajectoires possibles.

1) On suppose m << Ms. Que justifie cette hypothèse ?
=> J'ai répondu que, comme l'astre n'est soumis qu'à la force de gravitation due au soleil, et puisque l'on est dans un référentiel galiléen, la masse de l'astre doit être inférieure à celle du soleil

2) Quelles sont les principales caractéristiques du mouvement d'un point matériel dans un champ de forces centrales conservatives ?
=> J'ai répondu que le moment cinétique et l'énergie mécanique se conservent, que le mouvement est plan et que ce mouvement vérifie la loi des aires.

3) On cherche à étudier le mouvement en coordonnées polaires et on pose g = GMs et u = 1/r.
Dans le cas de l'intéraction gravitationnelle, en raisonnant sur l'énergie mécanique E montrer que la trajectoire de M vérifie l'équation différentielle:

(du/d)² + u² - u =

où et sont des constantes que l'on exprimera en fonction de g, m, E et du moment cinétique L de l'astre M
[Conseil du prof: On pourra commencer par démontrer la première formule de Binet : v² = C²[(du/d)² + u²]

Voilà, c'est à cette question que je bloque. J'ai réussi sans problème à démontrer la formule de Binet mais après je suis à court d'idées.
Pour le raisonnement sur l'énergie mécanique, je me doute qu'il faut partir de la définition (Em = Ec + Epp) mais après ...

4) Résoudre cette équation et montrer que la trajectoire de M est une conique dont on calculera l'excentricité e et le paramètre p en fonction de et puis en fonction de g, m, E et L
[ Conseil du prof: On pourra dériver l'équation (1) par rapport à , résoudre cette nouvelle équation différentielle et enfin déterminer les constantes d'intégration en injectant la solution trouvée dans l'équation (1)]

Je ne me suis pas encore penché sur cette question ...

Voilà, merci d'avance à tous ceux qui voudront bien m'aider.

Posté par
donaldos
re : Etude de la trajectoire d'un astre 28-02-10 à 14:36

Il te faut en effet exprimer l'énergie mécanique.

On sait que cette dernière est constante. Tu peux facilement exprimer l'énergie cinétique à partir de la formule de Binet que tu as établie. Il ne te reste donc plus qu'à exprimer l'énergie potentielle gravitationnelle.

Posté par
Sup35
re : Etude de la trajectoire d'un astre 28-02-10 à 15:04

Pour la question 3), j'ai:
Ec = 1/2mv² = 1/2mC²[(du/d)² + u²]
Ep = -GmMs/r = -G*m*Ms*u
D'où:
Em = Ec + Ep = 1/2mC²[(du/d)² + u²] -G*m*Ms*u
Or, on sait que l'énergie mécanique se conserve, donc 1/2mC²[(du/d)² + u²] -G*m*Ms*u = constante
Mais après je ne sais plus trop quoi faire ...

Posté par
Sup35
re : Etude de la trajectoire d'un astre 28-02-10 à 15:05

Merci pou ta réponse donaldos

Posté par
donaldos
re : Etude de la trajectoire d'un astre 28-02-10 à 15:31

Pour résoudre l'équation, il te reste à la mettre sous la forme:

\left(\frac{{\rm d}u}{{\rm d}\theta}\right)^2=A^2-\left(u-B\right)^2

avec A et B deux constantes. Une fois cela fait, elle ne te résistera plus longtemps...

Posté par
Sup35
re : Etude de la trajectoire d'un astre 28-02-10 à 15:46

A première vue je dirai qu'on peut s'y prendre de deux façons:
Soit, étant donné que l'énergie mécanique se conserve, on a:

Emi = Emf
Eci + Epi = Ecf + Epf
1/2mC²[(du/d\theta)² + u²] -G*m*Ms*u = ? (Quelle est l'expression de l'énergie mécanique à l'arrivée ? Je serais tenté de dire que (du/d\theta) est nul car u ne varie plus, donc que Emf = -GmMsu ?)


Ou alors, continuer avec une constante qu'on ne connait pas, en disant:
1/2mC²[(du/d\theta)² + u²] -G*m*Ms*u = cte
[(du/d\theta)² + u²] - 2GmMsu/mC² = 2cte/mC²
[(du/d\theta)² + u²] - 2 GMsu/C² = 2cte/mC²
[(du/d\theta)² + u²] - 2gu/C² = 2cte/mC²

Le problème c'est que l'énoncé demande à avoir un moment cinétique, mais avec ce résultat ... peut pas :/

Posté par
donaldos
re : Etude de la trajectoire d'un astre 28-02-10 à 16:02

Regarde à nouveau les paramètres en fonction desquels on te demande d'exprimer les différentes constantes apparaissant dans l'équation...

Posté par
Sup35
re : Etude de la trajectoire d'un astre 28-02-10 à 16:13

Oui, sachant qu'on a : L = m|C|, l'équation deviendrait:
[(du/d\theta)² + u²] - 2gu/C² = 2cte/LC
Mais la constante qui reste ... Il faut certainement l'exprimer, non ?

Posté par
Sup35
re : Etude de la trajectoire d'un astre 28-02-10 à 16:30

A oui, cette constante est égale à l'énergie mécanique puisqu'elle est constante. Donc la réponse est donc immédiate.
On a montré:
[(du/d\theta)² + u²] - 2gu/C² = 2E/LC
avec: alpha = 2g/C²
et: beta = 2E/LC

Je vais me débrouiller pour la question suivante

Par contre, pour la toute première question, pouvez vous confirmer que la masse du soleil doit être très supérieure à celle de l'astre pour que le mouvement relatif de l'astre puisse correspondre au mouvement du centre d'inertie ?

Posté par
donaldos
re : Etude de la trajectoire d'un astre 28-02-10 à 16:57

Je ne comprends pas bien ta question mais la différence d'ordre de grandeur entre les deux masses permet de négliger l'influence de M sur le Soleil.



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