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Satellites

Posté par
Quentin17
30-10-09 à 20:40

Bonjour à tous (je suis nouveau sur ce forum).
Voilà j'essaie de faire mon DM de physique que j'ai à faire pendant les vacances mais je bloque sur des questions.

Je présente d'abord l'énoncé et les hypothèses : on étudie le mouvement d'un satellite autour de la Terre, trajectoire circulaire dans le plan équatorial, altitude z.

La première question était de donner l'expression de la force de gravitation terrestre qui agit sur le satellite (jusque là pas trop dur ^^).
Deuxième question, en utilisant PDF, montrer que le mouvement est circulaire uniforme (réussie), et exprimer la vitesse v du satellite en fonction de G (constante de gravitation), Mt (masse de la Terre), R (rayon de la terre et z) : je trouve v = racine ((G*Mt)/(R+z))
Troisième question : définir la période T et l'exprimer en fonction de z puis A.N avec z=100km, là je trouve T=2pi*racine(((R+z)^3)/(GMt)) et en A.N 2,53.10^-2 secondes donc problème je suppose...

Mais le réel problème est à la question 4, soit un observateur A à l'équateur, on me demande de dire quelle est la période T' du satellite appelée période apparente (pour l'observateur) et de calculer la durée de visibilité T1 du satellite à chaque passage au dessus de A (on exprimera T1 en fonction de z en considérant que z<<R et que pour un angle alpha petit : cos(alpha)=1-(alpha^2)/2

Pour la période apparente j'imagine que c'est la période du satellite du point de vu d'un observateur placé sur terre,dans ce cas il faudrait prendre en compte l'angle de rotation de la planète pendant que le satellite fait un tour + un peu plus pour repasser sur l'observateur mais je ne sais pas comment procéder.

Posté par
Quentin17
re : Satellites 30-10-09 à 21:10

(Plus de problème pour le calcul de la période à la 3e question, c'était bien une erreur d'attention).

Posté par
donaldos
re : Satellites 30-10-09 à 23:05

Tu peux peut-être exprimer la position angulaire du satellite et celle de l'observateur en fonction du temps, supposer qu'elles sont égales à t=0 et déterminer l'instant où elles sont de nouveau égales (modulo 2\pi)?

Posté par
Quentin17
re : Satellites 31-10-09 à 12:22

Oui d'accord en fait j'y avais pensé mais le problème c'est que ne maitrise pas bien ces outils étant donné que je ne les ai presque jamais utilisés (ou jamais utilisés) et qu'on ne les a pas revu en cours. En + j'ai pas encore reçu mon livre de physique... Donc pour obtenir la position angulaire du satellite et de l'observateur en fonction du temps je fais comment? Vitesse angulaire que j'intégre? mais ça me parait bizarre vu que le temps n'entre pas vraiment en jeu dans la formule de la vitesse angulaire... je suis perdu

Posté par
Quentin17
re : Satellites 31-10-09 à 13:17

Je n'ai pas précisé, il y a aussi une figure où on a la tangente au cercle de rayon R qui coupe le cercle de rayon (R+z) aux points M1 et M2 (et M est à l'intersection de la droite OA avec le 2e cercle). L'angle alpha est l'angle (0A,0M1).

Posté par
donaldos
re : Satellites 31-10-09 à 13:26

Non, c'est normal que le temps n'apparaisse pas dans l'expression de la vitesse angulaire puisque l'on suppose que la vitesse du satellite est constante sur l'orbite et que le rayon de cette orbite est lui-même constant.

Comme tu l'a justement indiqué, la période apparente va être égale à la période T du satellite plus une durée \Delta t supplémentaire nécessaire pour compenser le fait que l'observateur a entre temps lui même subi un déplacement dû à la rotation de la Terre sur elle-même.

En appelant, \omega la vitesse angulaire du satellite et \omega' celle de l'observateur, on a :

-la position angulaire du satellite

\theta= \omega (T+\Delta t)=\omega \Delta t \quad (\operatorname{mod} 2\pi)

et

-la position angulaire de l'observateur

\theta'= \omega' (T+\Delta t)

Il suffit d'écrire que ces positions sont égales pour déterminer la valeur de \Delta t puis de la période apparente T'=T+\Delta t.

Posté par
donaldos
re : Satellites 31-10-09 à 13:31

La tangente à la Terre au point A représentée sur ton schéma va servir à déterminer la durée de visibilité. Les poins M_1 et M_2 désignent les extrémités de la portion d'orbite sur laquelle le satellite est visible pour l'observateur situé en A.

Posté par
Quentin17
re : Satellites 31-10-09 à 13:46

Merci beaucoup, donc on aurait T'=T(1+(omega'/(omega-omega')). Par contre ce je ne comprends pas vraiment en fait c'est pourquoi on peut définir ainsi la position angulaire, je suppose que c'est une formule ou une définition que j'ai déja vu voir que je devrais maitriser mais bon...

Posté par
Quentin17
re : Satellites 31-10-09 à 13:55

En + non le résultat ne marche pas je trouve une période apparente négative :s.

Posté par
donaldos
re : Satellites 31-10-09 à 14:09

On peut sûrement la définir, mais il s'agit surtout d'une relation géométrique que l'on retrouve facilement.

Si un point parcourt un cercle à vitesse constante avec une période T, cela signifie qu'il décrit un angle 2\pi en une durée T.

D'où l'on déduit qu'en une durée t il parcourt un angle \theta= \frac{2\pi}{T} t. C'est une simple relation de proportionnalité! La variation de position angulaire par unité de temps, ou vitesse angulaire, est donné par \omega= \frac{2\pi}{T}.

Normalement, tout cela se comprend bien simplement en regardant un cercle.

On peut écrire, de façon plus générale, que:

w=\frac{{\rm d}\theta}{{\rm d}t}

Posté par
donaldos
re : Satellites 31-10-09 à 14:10

Si tu trouves un résultat négatif, c'est que tu t'es trompé dans le calcul puisque l'on a nécessairement \omega'<\omega.

Posté par
Quentin17
re : Satellites 31-10-09 à 14:12

Effectivement c'était tout bête :s. Merci beaucoup .

Posté par
Quentin17
re : Satellites 31-10-09 à 14:37

Pauvre de moi... j'ai calculé en prenant omega = vitesse angulaire de l'observateur.
En refaisant le calcul je trouve T'=5508 secondes ce qui est parfaitement cohérent. Encore merci.

Posté par
donaldos
re : Satellites 31-10-09 à 14:45

De rien.

Posté par
Quentin17
re : Satellites 31-10-09 à 15:13

Pour la durée visibilité T1 je dis que l'angle (OA,OM1) est défini par :
cos=R/(R+z) soit 1-²/2=R/(R+z) car on me dit dans l'énoncé que pour un angle petit on peut faire l'approximation : cos=1-²/2 (dans la réalité l'angle ne doit pas être réellement petit, cependant "petit" est assez arbitraire et si on m'indique cette approximation dans l'énoncé je suppose que je dois l'utiliser).

Je dis ensuite que T1 est égale à la distance angulaire à parcourir (soit 2) divisée par la vitesse angulaire \omega.

D'où T1=2*T/2Pi=*T/pi

Je connais tout dans cette relation. Mais est-ce que ça vous parait suffisant? En plus on me demande de considérer que z<<R mais à ce moment là on aurait cos =R/R=1 ? ...

Posté par
donaldos
re : Satellites 31-10-09 à 15:31

Citation :
dans la réalité l'angle ne doit pas être réellement petit, cependant "petit" est assez arbitraire et si on m'indique cette approximation dans l'énoncé je suppose que je dois l'utiliser.




C'est peut-être à ce stade qu'il convient d'utiliser l'hypothèse z\ll R...

La démarche est correcte en tout cas.

Posté par
Quentin17
re : Satellites 31-10-09 à 15:39

Justement, si j'utilise l'hypothèse à ce stade, j'en arrive à dire : cos=1-²/2=R/R (puisque z<<R) =1?

ce qui voudrait dire =0 ou 0[2pi] :s

Posté par
Quentin17
re : Satellites 31-10-09 à 15:41

Erreur de ma part... pardon.

Posté par
donaldos
re : Satellites 31-10-09 à 15:51

Non, il faut l'utiliser avant:

\cos \alpha =\frac{R}{R+z}\approx 1 \quad \Rightarrow \quad \alpha \approx 0

Posté par
Quentin17
re : Satellites 31-10-09 à 15:53

Euh... tu viens de faire le même calcul que moi. Mais =0 entraine T1=0 et là ça coince.

Posté par
donaldos
re : Satellites 31-10-09 à 16:06

Je n'ai pas écrit d'égalité...

Par ailleurs, le but est seulement de justifier le passage au développement limité, pas de calculer la valeur de \alpha.

Posté par
Quentin17
re : Satellites 31-10-09 à 16:22

(Dans mes posts j'ai utilisé le symbole = car je ne trouvais pas comment écrire le symbole environ égal).
En fait la raison de mes difficultés c'est que je ne sais pas vraiment comment utiliser les hypothèses ici.
Donc si je comprends bien puisque 0, je peux écrire :
cos1-²/2 d'où R/R+z1-²/2. A partir d'ici je suppose que je ne dois plus utiliser l'hypothèse sinon je reviens sur 0, donc je poursuis les calculs et j'obtiens : (2z/(R+z)).
Et là, est-ce que je dois utiliser l'hypothèse? Si je prends (2/R), j'obtiens au final T12R(2)/((G*Mt)).

Posté par
Quentin17
re : Satellites 31-10-09 à 16:30

EN fait c'est bon je ne dois pas la "réutiliser" puisqu'ensuite on me demande une application numérique en prenant z = 100km.
Donc T1 2*(2R[sub][/sub]3*z/(GMt(R+z))).
J'espère que c'est bon.

J'avais une dernière question qui concerne l'altitude Zo pour que le satellite paraisse immobile pour l'observateur mais je l'ai réussie.

Posté par
donaldos
re : Satellites 31-10-09 à 16:32

Non, il est inutile d'appliquer à nouveau l'hypothèse dans la mesure où elle ne permet pas de simplifier l'expression comme c'est le cas lorsque l'on exprime \cos \alpha en fonction de \alpha.

Ce qui peut être intéressant (ça dépend des goûts ^^), c'est d'utiliser l'expression exacte \alpha=\arccos\left(\frac{R}{R+z}\right) et de comparer la valeur obtenue pour la période apparente avec celle obtenue en utilisant la simplification.

Posté par
Quentin17
re : Satellites 31-10-09 à 16:37

Exact . Merci beaucoup pour ton aide qui m'a vraiment été très utile.



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