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Niveau école ingénieur
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Mode propre d'une corde de Melde

Posté par
Bobinette
27-09-15 à 15:15

Salut à tous,

J'ai un devoir maison, qui me pose problème....

Voici l'énoncé :
On considère une corde de Melde (de longueur L=1m, et de masse linéique µ=1.0 * 10-4 kg/m) excitée sinusoïdalement ( à la fréquence f= 7Hz) à l'un de ses extrémités. Ces oscillations sont de faible amplitudes. L'autre extrémité de la, corde passe à travers une poulie et est attaché à un sceau. Ce sceau se situe sous un robinet qui délivre de l'eau avec un débit volumique D=1mL/min. L'amplitude de l'excitation étant faible, le mouvement du vibreur peut être assimilé à un nœud de vibration.
a) Quel type d'onde fait se mouvoir la corde ?
b) Pourquoi, pour une quantité d'eau quelconque dans le seau, la corde vibre-t-elle de manière désordonnée et avec une faible amplitude ?
c) Exprimer la quantification de la longueur d'onde. La fréquence d'excitation est-elle constante, quelle quantité est donc  quantifiée par les conditions aux limites ?
d) La vitesse d'une onde le long d'une corde est donnée par : v = V(T/µ) --> V (c'est la racine carré)
En déduire l'expression de la masse mn de l'eau dans le seau qui va permettre l'observation des modes propres. Quels seront les dates tn correspondante ?
e) Au bout de combien de temps voit-on le motifs suivant ?
f) Combien de temps faut-il attendre le suivant ? Le représenter. Que se passe-t-il  entre temps ?
g) La corde craque. On la remplace par une autre corde dont on ne connait pas la masse linéique. Imaginer une expérience permettant de la mesuré.
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a)  Onde stationnaire, cela est du au fait que l'onde se réfléchissent au niveau de la poulie.
b) Elle vibre à faible amplitude car elle est excité à faible amplitude.Par contre je ne sais pas pourquoi c'est désordonné.
c) On se trouve dans le cas d'une onde stationnaire donc la solution est de la forme :
y(x,t) = Acos (wt + p) cos (kx + c) avec p et c les constantes de déphasage à l'origine
on a donc y(x=0,t) = A cos(wt + p) cos (c) = Acos (wt +p)
donc p = 0
De plus y(x=L,t) = Acps (wt + p) cos (kL) = 0
donc cos (kn)=0 et kn=npi/2L = 2pi/lambda
on a donc lambda = 4L/2
Je ne suis pas sur du tout de cette réponse et je ne vois pas comment répondre à la deuxième partie de la question.
Merci d'avance pour votre aide

Posté par
eidos
re : Mode propre d'une corde de Melde 27-09-15 à 16:13

Salut,

a)Une onde stationnaire ne définit pas un type d'onde. C'est comme dire qu'une onde propagative définit un type d'onde. Non.  Un type d'onde c'est plutôt une onde de flexion, de torsion ou longitudinale par exemple.

b)La corde a une masse mais elle n'a pas de raideur . C'est le poids (tension)  du sceau d'eau  qui confère la raideur au système corde-sceau d'eau.

c) Il y deux types de fréquence : Si ce n'est pas la fréquence d'excitation, c'est donc la fréquence ...

d) connaissant mu, connaissant les fréquences propres, il ne reste plus qu'à déterminer la tension, donc le poids, donc la quantité d'eau, donc le temps.

e, f, g ne sont pas difficiles une fois arrivé à la question d.

Posté par
vanoise
re : Mode propre d'une corde de Melde 27-09-15 à 18:20

Citation :
Pourquoi, pour une quantité d'eau quelconque dans le seau, la corde vibre-t-elle de manière désordonnée et avec une faible amplitude ?

Dans le cas général, chaque point de la corde est soumis à l'influence d'un grand nombre d'ondes : l'onde incidence émise par la source et un grand nombre d'ondes résultant des réflexions successives aux extrémités de la corde : (en toute rigueur : une infinités d'ondes qui s'amortissent) : ces ondes n'étant pas en général en phase, leurs superposition conduit à une amplitude faible et variable au cours du temps, d'où l'impression de mouvement désordonné. Pour avoir une amplitude stable, donc indépendante du temps, il faut que l'élongation du point d'abscisse x puisse s'écrire sous la forme Y= f(x).cos(wt+) : on obtient ainsi une onde stationnaire. Cela correspond à :
L=n\cdot\frac{\lambda}{2}=n\cdot\frac{v}{2f}=n\cdot\frac{\sqrt{\frac{Mg}{\mu}}}{2f}
ou M est la masse de l'ensemble {seau + eau} et n le nombre de fuseaux.
D'où les valeurs possibles de L en fonction du nombre n de fuseaux:
M=\frac{4f^{2}L^{2}\mu}{g}\cdot\frac{1}{n^{2}}

Posté par
Bobinette
re : Mode propre d'une corde de Melde 28-09-15 à 00:20

Merci beaucoup de vos aide

b) D'accord, je comprend déjà beaucoup mieux grâce à ces explications,

c) La fréquence propre ?

d) Je trouve T=v² * µ, mais je ne sais pas comment relier le poid à la tension...

Merci encore ^^

Posté par
eidos
re : Mode propre d'une corde de Melde 28-09-15 à 09:38

Tout d'abord, excuse moi, je viens de voir que j'avais inventé un mot "propagative" ...
Je pense en anglais, du coup quand je traduis en français, cela donne parfois des mots bizarres.
Dans les pays Anglo-Saxons, les ondes se propagent, tandis qu'en France elles progressent. L'idée de progrès est bien plus belle que celle de propagation, donc le mot français est progressive.

Poids et tension, ça doit être la même chose en module, c'est à dire une force. La poulie n'est là que pour "orienter" la force du poids dans la direction souhaitée.

Je crois qu'il faut vraiment que tu trouves une expression pour les fréquences propres en fonction de mu, T, L.

Faut imaginer tout d'abord un "morceau" d'onde constitué d'une seule période. Ce morceau a une certaine période, donc une certaine fréquence (inverse de la période).

Maintenant le but du jeu est de faire coïncider la longueur d'onde avec la longueur L de la corde (L=\lambda).
Puis en utilisant la formule de la vitesse des ondes transversales, tu peux obtenir une expression pour la fréquence propre.
L'expression que tu vas obtenir de cette manière correspondra à la deuxième fréquence propre. Il suffit de diviser par 2 pour avoir la première puis multiplier par un nombre entier n pour avoir la nième fréquence propre.

Posté par
eidos
re : Mode propre d'une corde de Melde 28-09-15 à 10:07

un truc encore...

Il y a deux expressions pour la vitesse. Tu en as déjà une en fonction des caractéristiques du système à savoir \mu et T.

Il y a une autre manière d'exprimer la vitesse des ondes.
Une vitesse c'est une distance divisée par un temps. Ici la distance c'est la longueur d'onde et le temps c'est la période. c=\frac{\lambda}{T} or T=\frac{1}{f} ou f est la fréquence.

Voila, tu as une expression pour f en fonction de c et \lambda et deux autres petites équations pour pouvoir remplacer c et \lambda.

Posté par
vanoise
re : Mode propre d'une corde de Melde 28-09-15 à 15:48

[quote]L=n\cdot\frac{\lambda}{2}=n\cdot\frac{v}{2f}=n\cdot\frac{\sqrt{\frac{Mg}{\mu}}}{2f}

Dans mon message précédent, je suis allé un peu vite : j'ai directement remplacé la vitesse de propagation par :
v=\frac{\sqrt{Mg}}{\mu}
mais le "chaînon manquant" t'a été fourni par eidos : une poulie idéale (pas de frottement lors de la rotation) modifie la direction de la force sans en modifier l'intensité. Tu peux donc considérer que la tension de la corde est égale au poids de l'ensemble {seau+eau} que j'ai noté M.g ;
v=\sqrt{\frac{T}{\mu}}=\sqrt{\frac{Mg}{\mu}}
La fréquence étant fixe, modifier le poids d'eau modifie la célérité de l'onde donc modifie la longueur d'onde. Pour certaines valeurs particulière du poids, cette longueur d'onde est telle que la longueur de la corde représente un nombre entier de demies longueurs d'onde :
comme  déjà écrit :
L=n\cdot\frac{\lambda}{2}
On obtient alors des ondes stationnaires : la corde présente à l'œil nu l'aspect d'un nombre n de fuseaux.

Posté par
eidos
re : Mode propre d'une corde de Melde 28-09-15 à 16:16

L'énoncé dit "L'amplitude de l'excitation étant faible, le mouvement du vibreur peut être assimilé à un nœud de vibration."
Mais alors, si le vibreur ne transmet pas une amplitude, il faut bien qu'il transmette quelque chose d'autre pour qu'il y ait mise en vibration. Mais quoi donc ?

Posté par
Bobinette
re : Mode propre d'une corde de Melde 28-09-15 à 18:12

Bonsoir, merci pour toutes vos réponses

Mais je suis un peu perdue dans toutes vos explications, je ne comprends pas à quelle question vous répondez..

Pour la question c j'avais trouvé une expression de la quantification de la longueur d'onde, est-elle bonne ?
L'autre quantité quantifiée est-elle la fréquence propre ?

Pour la question d je me retrouve avec une expression de la forme : http://latex.ilephysique.net/ile_TEX.cgi?v=\sqrt{\frac{T}{\mu}}=\sqrt{\frac{Mg}{\mu}}
On me demande une expression de la masse d'eau dans le seau, or ici on à une expression de la masse du sceau et de l'eau qu'il contient.

Ensuite je ne vois pas comment montrer quelles seront les dates tn correspondantes ...

Merci d'avance pour votre aide

Posté par
eidos
re : Mode propre d'une corde de Melde 28-09-15 à 19:10

Désolé, c'est ma faute. Me rends compte que je ne suis pas prof et que la pédagogie est un art qui ne s'improvise pas.

Tu as trouvé une expression lambda = 4L/2 soit lambda = 2L. Il n'y pas de quantification dans ton expression en fait. Mais vanoise t'a donné le résultat, il te suffit de le retrouver.

Sinon physiquement, l'onde stationnaire ressemble plus à un sinus qu'à un cosinus. Donc vaudrait mieux avoir un sin(kL)=0 plutôt qu'un cos(kL)=0

Et puis si tu n'y comprends vraiment rien, dis toi pour te rassurer que Schrödinger utilisait un peu les mêmes méthodes afin de  pouvoir établir sa fameuse équation...    

Posté par
vanoise
re : Mode propre d'une corde de Melde 28-09-15 à 19:18

Je t'ai fourni les différentes formules...
On ne donne pas la masse du seau effectivement. Peut-être faut-il la considérer comme négligeable. A priori cela parait grossier pour les masses d'eau faibles.... Relie bien ton énoncé et néglige malgré tout la masse du seau si elle n'est pas précisée.
Dans ce cas, on peut écrire : M = D.t où D désigne le débit massique de l'eau. Le débit volumique étant de 1mL/min, on obtient : D = 10-3kg/min puisque la masse d'un millilitre d'eau est de un gramme. Il faut aussi supposer que l'eau tombe dans le seau avec une vitesse négligeable, sinon la tension de la corde serait supérieure au poids...
Autre sujet abordé par eidos : nous sommes en présence d'un phénomène de résonance ; l'amplitude du mouvement transversal de la corde aux ventres de vibrations est plusieurs milliers de fois supérieure à l'amplitude du mouvement de l'extrémité de la corde reliée au vibreur. Il est donc tout à fait légitime d'assimiler l'extrémité liée au vibreur à un nœud de vibration.

Posté par
Bobinette
re : Mode propre d'une corde de Melde 28-09-15 à 19:41

Encore merci beaucoup

Mais en faite c'est quoi la quantification, je me rend compte que je suis un peu perdu à cause de ça ?
Je suppose que d'après les message de vanoise, c'est L=n * /2

D'accord, j'ai bien compris pour la d), du coup on se retrouve avec :

M = (v² * µ)/g
Et
Tn = M/D

C'est bien ça ?

Par contre pourquoi associé l'extrémité lié au vibreur à un nœud de vibration ?

Posté par
vanoise
re : Mode propre d'une corde de Melde 28-09-15 à 20:33

reprends mon message posté le 27-09-15 à 18:20 et remplace M par D.Tn : Tu obtiens ainsi les dates Tn correspondant à l'apparition de n fuseaux.

Citation :
Je suppose que d'après les message de vanoise, c'est L=n * /2

Il n'est pas interdit de bien lire les messages : ce n'est pas la même chose que !

Posté par
Bobinette
re : Mode propre d'une corde de Melde 28-09-15 à 20:42

Oui, mais avec la formule M = (4f²L²µ)/g * 1/n² , le problème c'est que je n'ai pas n.... Et un fuseau, c'est 2 nœuds + un ventre ?

Ah oui, excuse moi, je me suis trompé en écrivant

Posté par
eidos
re : Mode propre d'une corde de Melde 28-09-15 à 21:01

La quantification peut certainement être expliquée de plusieurs manières.

Pour ma  part, la quantification s'oppose à la continuité. Dans un flot continu de valeurs, seules certaines ont un sens ou sont singulières ou bien sont importantes. Ainsi dans un ensemble continu de fréquences ou de longueurs d'ondes ou d'ondes, seules certaines prennent une importance particulière (correspondant ici au phénomène de résonance).

Prenons l'exemple des notes de musiques. C'est parce que les notes sont quantifiées, qu'il est possible de faire de la musique. S'il existait une note pour chaque fréquence du spectre audio, il ne serait plus possible de faire de la musique (ou alors ce serait extrêmement compliqué!).

La quantification peut aussi être vu comme un ensemble de valeurs toutes multiples d'une même et unique quantité : Toutes les fréquences propres sont multiples de la première.

Posté par
Bobinette
re : Mode propre d'une corde de Melde 28-09-15 à 22:16

Ah d'accord, je comprend mieux

Merci pour cette explication eidos ^^

Je veins de me rendre compte, que je n'ai pas poster la photo necessaire à la question e), donc là voici

Mode propre d\'une corde de Melde

Posté par
vanoise
re : Mode propre d'une corde de Melde 29-09-15 à 11:12

Tu as ici trois fuseaux : trois ventres de vibrations et 4 nœuds, donc n = 3. Je me demande quand même si tu as bien compris le cours sur les ondes progressives et les ondes stationnaires avant d'aborder ce problème car il s'agit d'une étude archi "classique"...

Posté par
eidos
re : Mode propre d'une corde de Melde 29-09-15 à 12:11

Il est vrai que le motif pourrait faire penser au H égyptien dans l'écriture hiéroglyphe à une personne féru d'Egypte ancienne.

Mais pour un physicien, cela symbolise la forme que prend la corde à 2 instants donnés bien particulier. Ce dessin permet de voir que la forme de l'onde reste inchangée (à une symétrie axiale près) au cours du temps.  

2 points quelconques de la corde bougeront toujours en phase ou en opposition de phase.  



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