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Niveau licence
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Exercice physique ressort

Posté par
Ashaverus
11-01-18 à 11:46

Bonjour, je suis en L1 en fac de science mais je travaille de chez-moi (et du coup je n'ai pas souvent l'occasion de poser des questions à mon prof).
Pour ce qui est de connaître le cours ça va, par contre je n'ai que peu de pratique, je ne suis pas toujours sûr de ce qui est demandé ou de comment présenter mes réponses.
Je fais des annales d'examens pour me préparer aux partiels mais j'ai clairement des lacunes, pourriez-vous m'aider en m'expliquant comment je suis censé procéder ?

Voici l'énoncé :
Un ressort idéal, de masse négligeable, de longueur à vide L0 = 5 cm, et de raideur k, est maintenu verticalement dans le champ de pesanteur terrestre. L'origine des altitudes (z = 0 m) est prise à l'extrémité inférieure du ressort. On comprime le ressort à la longueur l, puis on place une bille de masse m, supposée ponctuelle, à son sommet. On néglige les frottements et on note g l'accélération de la pesanteur.
On lâche le ressort. On suppose qu'il a été suffisamment comprimé pour que la masse m soit propulsée verticalement vers le haut. On suppose que cette éjection a lieu très exactement en z = L0 et qu'après éjection de la masse, l'extrémité du ressort reste en z = L0.

1) Faire le bilan des forces agissant sur la bille pendant la détente du ressort d'une part, et une fois que la bille a été éjectée d'autre part.
2) Donner l'expression de l'énergie cinétique, de l'énergie potentielle de pesanteur et de l'énergie potentielle élastique de la bille pour z = L, z = L0 et z = zmax (où zmax est l'altitude maximale atteinte par la bille). On prendra l'altitude z = 0 m comme origine pour l'énergie potentielle de pesanteur et la longueur à vide (z = L0) comme origine pour l'énergie potentielle élastique. On note ve la vitesse de la bille lors de son éjection.
3) Le système est-il conservatif pendant la détente du ressort ? Et une fois que la bille a été éjectée ? Pourquoi ? (attention! La réponse "parce qu'il n'y a pas de frottement" n'est pas suffisante). Quelle est la conséquence pour l'énergie mécanique ?
4) On note d = L0 - L. Montrer que la vitesse de la bille au moment où elle est éjectée s'écrit : ve = ((kd²/m) - 2gd)
5) Montrer que l'altitude maximale atteinte s'écrit : zmax = (kd²/2mg) + L
6) On mesure zmax = 9 cm, et d = 3,0 cm, m = 3,0 g et g = 9,81m/s². Calculer la constante de raideur k. Retrouver sa dimension par une analyse dimensionnelle et donner son unité en fonction des unités fondamentales du système international.
7) Calculer l'énergie mécanique de la masse m.

Posté par
J-P
re : Exercice physique ressort 11-01-18 à 16:34

Aide ... ne suivant pas exactement l'ordre des questions posées.
Mais cela devrait te permettre de comprendre et compléter.


Soit le système bille + ressort.

Au départ :
E potentielle de pesanteur de la bille : Epp0 = m.g.L (z = 0 car référence de niveau pour les Epp nulles)
E cinétique de la bille : Ec0 = 0
E élastique du ressort : Ee0 = 1/2.k.(Lo-L)²

Donc l'énergie mécanique du système est : Em0 = m.g.L + 0 + 1/2.k.(Lo-L)² = m.g.L + 1/2.k.(Lo-L)²
-----
Lorsque la bille arrive à l'alitude z = Lo (donc juste quand elle va quitter le ressort)

E potentielle de pesanteur de la bille : Epp1 = m.g.Lo
E cinétique de la bille : Ec1 = 1/2.m.Ve²  (avec Ve la vitesse d'éjection)
E élastique du ressort : Ee1 = 0 (ressort non contraint)

Donc l'énergie mécanique du système est : Em1 = m.g.Lo + 1/2.m.Ve² + 0 = Em1 = m.g.Lo + 1/2.m.Ve²

Comme on néglige les pertes (frottement), il y a conservation de l'énergie mécanique du système et donc Em0 = Em1

mgL + 1/2.k.(Lo-L)² = m.g.Lo + 1/2.m.Ve²
k.(Lo-L)²/m = 2.g.(Lo-L) + Ve²
Ve² = k.(Lo-L)²/m - 2.g.(Lo-L)
et en posant Lo-L = d-->
Ve² = k.d²/m - 2.g.d

Ve = RCarrée[k.d²/m - 2.g.d]
-----
Lorsque la bille atteint son altitude max (Zmax) :

E potentielle de pesanteur de la bille : Epp2 = m.g.Zmax
E cinétique de la bille : Ec2 = 0 (au sommet de la trajectoire, la bille est arrétee, juste avant de redescendre)
E élastique du ressort : Ee = 0

Donc l'énergie mécanique du système est : Em2 = m.g.Zmax + 0 + 0 = m.g.Zmax
-----
Comme on néglige les pertes (frottement), il y a conservation de l'énergie mécanique du système et donc Em0 = Em2

m.g.L + 1/2.k.(Lo-L)² = m.g.Zmax

Zmax = L + k.(Lo-L)²/(2mg)

et en posant Lo-L = d-->

Zmax = L + k.d²/(2mg)

Sauf distraction.  

Posté par
Ashaverus
re : Exercice physique ressort 11-01-18 à 17:27

OK super, de nouveau merci J-P !

Il me manque juste la question 3/ que je ne vois pas comment faire.
A part dire justement que "parce qu'il n'y a pas de frottement" et donc que l'énergie mécanique est conservée,   je ne comprends pas qu'est-ce qui est attendu.

Posté par
J-P
re : Exercice physique ressort 11-01-18 à 19:16

3)

Va voir sur ce lien :

et ...



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