EXERCICE III : Les dominos (4 points) - Labolycee.org

EXERCICE III : LES DOMINOS (4 points)
Antilles Guyane 09/2009
http://labolycee.org On souhaite préparer le départ d'une bille pour un « dominos-cascade ». La
bille lancée doit aller percuter le premier domino pour déclencher les
chutes en cascade. Les dominos étant déjà tous installés, on ne peut pas
faire d'essais : les conditions de lancer et la trajectoire doivent donc
être calculées.
Le schéma ci-dessous (figure 1) décrit la situation. Attention, les
échelles ne sont pas respectées.
On suppose dans l'ensemble de l'exercice que:
- le référentiel terrestre est galiléen le temps de l'expérience ;
- la bille est assimilée à un point matériel ;
- les frottements solides et fluides sont négligeables.
On prendra g = 9,8 N.kg-1.
La masse de la bille est m = 60 g.
1. Equation de la trajectoire
On suppose dans cette partie que la bille arrive en O de coordonnées (0 ;
0) avec une vitesse [pic]de direction horizontale. L'instant où la bille
arrive en ce point sera pris comme origine des temps (t = 0). 1. A quelle force est soumise la bille entre les points O et M exclus. 2. En appliquant la seconde loi de Newton à la bille lorsqu'elle a quitté
le point O, établir la relation entre le vecteur accélération du centre
d'inertie de la bille [pic] et le vecteur accélération de
pesanteur [pic]. On montre que les coordonnées du vecteur vitesse du centre d'inertie de
la bille dans le repère [pic] sont : vx(t) = v0 et vy(t) = - gt.
3. Montrer alors que l'équation de la trajectoire du centre d'inertie de la
bille entre O et M est :
y(x) = [pic] 4. Calculer v0 pour que le centre d'inertie de la bille arrive en M dont
les coordonnées dans le
repère [pic] sont xM = 0,40 m et yM = - 0,20 m.
2. Solutions techniques pour que la bille arrive en O avec la vitesse [pic]
. 2.1. Utilisation d'un plan incliné :
Dans cette situation (illustrée par la figure 2 ci après), la bille est
lâchée sans vitesse initiale d'un point
A ( de coordonnées xA et yA) situé en haut d'un plan incliné réglable très
lisse sur lequel la bille glisse sans frottement.
Ensuite, la bille roule entre les points B et O : sur cette portion on
considérera que la valeur de la vitesse du centre d'inertie de la bille
reste constante ; ainsi on aura vB = v0.
Sur la portion AB, on peut considérer que la bille est soumise à deux
forces constantes : le poids [pic] et la réaction du plan incliné [pic].
En un point quelconque du trajet AB, ces vecteurs forces sont représentés
sur la figure 3 ci après (représentation sans considération d'échelle).
La force [pic] dont la direction est constamment perpendiculaire au trajet
AB n'effectue aucun travail. Ainsi, la seule force qui effectue un travail
sur le trajet AB est le poids [pic] qui est une force
conservative : on peut donc affirmer que l'énergie mécanique du système
{bille-Terre} se conserve
entre A et B. L'origine des énergies potentielles de pesanteur est prise au point O
d'altitude y0 = 0. On a donc
Ep(O) = 0. 1. Établir l'expression de l'énergie mécanique EM(A) de la bille en A en
fonction de yA.
2. Établir l'expression de l'énergie mécanique EM(B) de la bille en B en
fonction de vB. 3. En déduire l'expression de yA en fonction de v0 = vB. 4. Calculer yA pour que v0 ait la valeur de 2,0 m.s-1.
2.2. Utilisation d'un canon à bille :
Si on ne dispose pas de la place nécessaire à l'installation du plan
incliné précédent, on peut utiliser
un petit canon à ressort de raideur k = 50 N.m-1 (voir figure 4 ci après).
Le ressort au repos a son extrémité en O de coordonnées (0, 0). L'opérateur
le comprime en exerçant une force notée [pic] jusqu'à ce que son extrémité
soit en C de coordonnées (xc, 0).
On pose alors la bille au contact du ressort. On admet que l'abscisse de la
bille (assimilée à un point matériel) est confondue avec l'abscisse de
l'extrémité du ressort est repérée par x. Lorsqu'on lâche le tout, la bille
acquiert de la vitesse. Un système de blocage limite la détente complète en
arrêtant le ressort au point O (de coordonnées 0 ; 0). 1. Donner l'expression vectorielle de la force de rappel notée [pic]
exercée par le ressort.
2. Au cours de la compression du ressort, la force exercée par l'opérateur
et notée [pic] est
à chaque instant opposée à la force de rappel du ressort [pic]. En
déduire l'expression vectorielle
de la force [pic]. 3. Montrer que le travail de la force [pic] entre les points O et C a pour
expression :
WOC([pic]) = [pic]
4. Le travail de [pic]a uniquement contribué à augmenter l'énergie
potentielle élastique du ressort. Si on considère que, après avoir été
relâché, celui-ci la restitue entièrement à la bille sous forme
d'énergie cinétique, exprimer xC en fonction de v0, m et k.
5. Application numérique : calculer la coordonnée xC dans le repère
[pic]pour que v0
ait la valeur 2,0 m.s-1.