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Physique · Prépa concours post-bac — CPGE (dossier & entretien)

Oscillations mécaniques

Le cours expliqué simplement, les questions que tous les élèves se posent et des exercices type examen national. Programme marocain, gratuit.

📘 Fiche de cours

L'essentiel du cours

1. Le pendule élastique (horizontal)

Un système composé d'un ressort de raideur $k$ et d'un solide de masse $m$.

  • Force de rappel : $\vec{F} = -k \cdot x \cdot \vec{i}$.
  • Équation différentielle : $\ddot{x} + \frac{k}{m}x = 0$.
  • Période propre : $T_0 = 2\pi \sqrt{\frac{m}{k}}$.

2. Le pendule de torsion

Un fil métallique de constante de torsion $C$ lié à une barre de moment d'inertie $J_\Delta$.

  • Couple de rappel : $M_c = -C \cdot \theta$.
  • Équation différentielle : $\ddot{\theta} + \frac{C}{J_\Delta}\theta = 0$.
  • Période propre : $T_0 = 2\pi \sqrt{\frac{J_\Delta}{C}}$.

3. Le pendule pesant et le pendule simple

  • Pendule pesant : Tout solide oscillant autour d'un axe horizontal ne passant pas par son centre d'inertie.
    • Équation (petites oscillations) : $\ddot{\theta} + \frac{m \cdot g \cdot d}{J_\Delta}\theta = 0$.
    • Période : $T_0 = 2\pi \sqrt{\frac{J_\Delta}{m \cdot g \cdot d}}$.
  • Pendule simple : Masse ponctuelle au bout d'un fil de longueur $L$.
    • Période : $T_0 = 2\pi \sqrt{\frac{L}{g}}$.

4. Phénomène d'amortissement

Dû aux frottements (fluides ou solides).

  • Régime pseudo-périodique : Frottements faibles, l'amplitude diminue.
  • Régime apériodique : Frottements forts, retour à l'équilibre sans oscillations.
  • Régime critique : Retour le plus rapide à l'équilibre.

Méthodes à maîtriser

  • Établir l'équation différentielle : Utiliser la deuxième loi de Newton (translation) ou la relation fondamentale de la dynamique (rotation).
  • Vérifier la solution : Remplacer $x(t) = X_m \cos(\frac{2\pi}{T_0}t + \phi)$ dans l'équation différentielle.
  • Déterminer les constantes : Utiliser les conditions initiales à $t=0$ pour trouver $X_m$ (ou $\theta_m$) et la phase $\phi$.
  • Analyse dimensionnelle : Démontrer que l'expression de $T_0$ a bien la dimension d'un temps $[T]$.

Exemples corrigés

Exemple : Un ressort de $k = 20 , N/m$ porte une masse $m = 200 , g$. Calculer $T_0$.

  • Réponse : $T_0 = 2\pi \sqrt{\frac{0,2}{20}} = 2\pi \sqrt{0,01} = 2\pi \times 0,1 \approx 0,63 , s$.

Erreurs fréquentes

  • Oublier de convertir la masse $m$ en kilogrammes (kg).
  • Confondre la raideur $k$ (ressort) et la constante de torsion $C$ (fil).
  • Utiliser le degré au lieu du radian pour les calculs d'angles $\theta$.
  • Dire que la période dépend de l'amplitude (alors que $T_0$ est indépendante de $X_m$ pour les petites oscillations).

🌉 Jisr : les mots du chapitre FR ⇄ AR

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Défi flash : 4 questions

Sans compte

🎯 Oscillations mécaniques

1/4

Quelle est l'unité de la raideur $k$ dans le SI ?

❓ Questions fréquentes

Kifach nfer9o bin régime périodique o pseudo-périodique f'tmaril?
  1. Le régime périodique est théorique : il n'y a aucun frottement, l'amplitude reste constante pour toujours. Sur un graphe, c'est une sinusoïde parfaite.
  2. Le régime pseudo-périodique est réel : il y a des frottements faibles, l'amplitude diminue à chaque oscillation. Sur le graphe, les sommets de la courbe descendent progressivement.
  3. La "pseudo-période" $T$ est très proche de la période propre $T_0$ si l'amortissement est faible.

💡 À retenir : Pas de frottement = Périodique ; Frottement faible = Pseudo-périodique.

Chno hiya la phase à l'origine phi o kifach n-jbdouha?

La phase $\phi$ (en radians) définit la position et le sens du mouvement de l'oscillateur à l'instant exact $t=0$.

  1. On prend la solution $x(t) = X_m \cos(\frac{2\pi}{T_0}t + \phi)$.
  2. À $t=0$, on a $x(0) = X_m \cos(\phi)$.
  3. On regarde les conditions initiales : si on lâche le solide de $X_{max}$ sans vitesse, alors $x(0) = X_m$, donc $\cos(\phi) = 1$, d'où $\phi = 0$.

💡 À retenir : $\phi$ se trouve toujours grâce aux conditions initiales à $t=0$.

Kifach n-7seb la valeur dyal k (raideur) ghir men l'mibyane (graphe)?

Il y a deux méthodes principales :

  1. Par la période : Tu mesures $T_0$ sur le graphe $x(t)$. Comme $T_0 = 2\pi \sqrt{\frac{m}{k}}$, tu en déduis $k = \frac{4\pi^2 m}{T_0^2}$.
  2. Par la force (statique) : Si tu as un graphe de la force $F$ en fonction de l'allongement $\Delta \ell$, la pente de la droite est égale à $k$ ($F = k \cdot \Delta \ell$).

💡 À retenir : La période $T_0$ est le moyen le plus courant en dynamique.

Pourquoi dit-on "petites oscillations" pour le pendule pesant ?

Pour obtenir une équation différentielle linéaire facile à résoudre, on utilise l'approximation de Taylor : $\sin(\theta) \approx \theta$ (en radians).

  1. Cette approximation n'est valable que pour des angles inférieurs à environ $15^\circ$ (0,26 rad).
  2. Si l'angle est grand, l'équation devient $\ddot{\theta} + \frac{mgh}{J_\Delta}\sin(\theta) = 0$, ce qui n'est plus un mouvement sinusoïdal simple.

💡 À retenir : "Petites oscillations" permet de remplacer $\sin(\theta)$ par $\theta$.

Quelle est la différence entre T0 et f0 ?
  1. $T_0$ est la période propre : c'est la durée d'une oscillation complète (en secondes $s$).
  2. $f_0$ (ou $N_0$) est la fréquence propre : c'est le nombre d'oscillations par seconde (en Hertz $Hz$).
  3. La relation est simple : $f_0 = \frac{1}{T_0}$.

💡 À retenir : $T_0$ est un temps, $f_0$ est une cadence.

Comment faire l'analyse dimensionnelle de T0 = 2pi sqrt{frac{m}{k}} ?
  1. $[m] = M$ (masse).
  2. Pour $k$ : d'après $F = k \cdot x$, on a $k = F/x$. Comme $F = m \cdot a$, alors $[k] = \frac{M \cdot L \cdot T^{-2}}{L} = M \cdot T^{-2}$.
  3. On remplace dans la formule : $[\sqrt{m/k}] = \sqrt{\frac{M}{M \cdot T^{-2}}} = \sqrt{T^2} = T$.
  4. Le résultat est bien un temps.

💡 À retenir : $2\pi$ n'a pas de dimension.

C'est quoi le moment d'inertie JDelta ?

C'est la résistance d'un corps au changement de sa rotation.

  1. Plus la masse est loin de l'axe de rotation, plus $J_\Delta$ est grand.
  2. Pour une tige de longueur $L$ pivotant au centre : $J_\Delta = \frac{1}{12}mL^2$.
  3. Pour une masse ponctuelle à une distance $d$ : $J_\Delta = m \cdot d^2$.

💡 À retenir : $J_\Delta$ joue en rotation le même rôle que la masse $m$ en translation.

Est-ce que la masse influence la période d'un pendule simple ?

Non. Pour un pendule simple, $T_0 = 2\pi \sqrt{\frac{L}{g}}$.

  1. La masse $m$ n'apparaît pas dans la formule finale.
  2. Deux pendules simples de même longueur $L$ auront la même période, qu'ils soient en plomb ou en bois (en négligeant l'air).

💡 À retenir : La période d'un pendule simple ne dépend que de $L$ et $g$.

Comment déterminer le sens du mouvement à t=0 ?

Il faut regarder le signe de la vitesse initiale $v(0) = \dot{x}(0)$.

  1. On dérive $x(t)$ : $\dot{x}(t) = - \frac{2\pi}{T_0} X_m \sin(\frac{2\pi}{T_0}t + \phi)$.
  2. À $t=0$, $\dot{x}(0) = - \frac{2\pi}{T_0} X_m \sin(\phi)$.
  3. Si $\dot{x}(0) > 0$, le solide part vers les $x$ positifs.

💡 À retenir : Le signe de la dérivée donne le sens du mouvement.

Quelle est l'unité de la constante de torsion C ?

On utilise la formule du moment du couple de torsion : $M_c = C \cdot \theta$.

  1. $M_c$ est un moment, son unité est le Newton-mètre ($N \cdot m$).
  2. $\theta$ est un angle en radians ($rad$), qui est sans dimension.
  3. Donc $C$ s'exprime en $N \cdot m \cdot rad^{-1}$.

💡 À retenir : $C$ est en $N \cdot m/rad$.

Pourquoi le ressort vertical a la même période que le horizontal ?
  1. En vertical, le poids étire le ressort d'une longueur fixe $\Delta \ell_0$ à l'équilibre.
  2. Lors du mouvement, cette force constante (le poids) est compensée par l'allongement initial.
  3. L'équation différentielle reste $\ddot{x} + \frac{k}{m}x = 0$, donc $T_0$ ne change pas.

💡 À retenir : La position d'équilibre change, mais la période reste la même.

Que se passe-t-il si on augmente les frottements ?
  1. La pseudo-période $T$ augmente légèrement.
  2. L'amplitude diminue plus vite.
  3. Si on dépasse une valeur critique, les oscillations disparaissent (régime apériodique).

💡 À retenir : Plus de frottement = amortissement plus rapide.

✍️ Exercices type examen national

Exercice 1

Le pendule élastique horizontal Un solide $(S)$ de masse $m = 100 , g$ est attaché à un ressort horizontal de raideur $k$. On écarte $(S)$ de sa position d'équilibre d'une distance $X_m = 5 , cm$ et on le lâche sans vitesse initiale à $t=0$. On néglige les frottements. La période mesurée est $T_0 = 0,4 , s$.

  1. Établir l'équation différentielle du mouvement.
  2. Déterminer la valeur de la raideur $k$.
  3. Donner l'expression numérique de l'élongation $x(t)$.
Voir la correction détaillée : inscription gratuite

Exercice 2

Le pendule de torsion Une barre homogène de moment d'inertie $J_\Delta = 2,5 \cdot 10^{-3} , kg \cdot m^2$ est suspendue à un fil de torsion de constante $C$. On fait tourner la barre d'un angle $\theta_m = 0,2 , rad$ et on la lâche.

  1. Montrer que l'équation différentielle est de la forme $\ddot{\theta} + \omega_0^2 \theta = 0$.
  2. On mesure 10 oscillations en $10 , s$. Calculer $C$.
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Exercice 3

Pendule élastique vertical (Niveau Concours) Un ressort de longueur à vide $L_0 = 20 , cm$ est fixé verticalement. On y suspend une masse $m = 200 , g$. À l'équilibre, la longueur du ressort est $L_e = 24,9 , cm$.

  1. Calculer la raideur $k$ du ressort. (Prendre $g = 9,8 , m/s^2$).
  2. On tire la masse vers le bas de $2 , cm$ à partir de l'équilibre et on la lance vers le haut avec une vitesse $v_0 = 0,2 , m/s$. Déterminer l'amplitude $X_m$ du mouvement.
Voir la correction détaillée : inscription gratuite

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