1. Prédire
Prédisez séparément l’effet d’une masse plus grande et d’un ressort plus raide sur la période.
Dynamique
Observez ensemble la force de rappel du ressort, le mouvement et les conversions d’énergie. Dans le modèle sans frottement, l’énergie mécanique totale se conserve.
Quelle énergie est maximale lorsque la masse passe par la position d’équilibre ?
Prédisez séparément l’effet d’une masse plus grande et d’un ressort plus raide sur la période.
Fixez m = 1 kg, k = 4 N/m, x₀ = 0,8 m, v₀ = 0. Relevez x, v, K, U et E à une extrémité et à l’équilibre sur une période.
Quadruplez seulement la masse. Rétablissez les réglages, puis quadruplez seulement k. Mesurez les rapports des périodes.
Comparez à T = 2π√(m/k). Pourquoi changer x₀ ne modifie-t-il pas la période dans ce modèle linéaire idéal ?
Avec les données Excel, calculez les moyennes temporelles de K et U sur une période entière. Comparez à E/2 et distinguez égalité instantanée et égalité des moyennes.
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02 / MESURES EN DIRECT
Période calculée:
Durée physique totale:
Un cycle est une période entière : . Modifier masse ou raideur change période et durée totale. La vitesse de lecture ne ralentit que l’affichage.
K : trait bleu continu ; U : trait orange discontinu ; E = K + U : pointillés lavande. Les graphiques sont tracés jusqu’à l’instant sélectionné. E₀ − E est l’énergie transférée au milieu extérieur par la force résistive.
Où se trouve l’énergie au passage par l’équilibre ?
Partez du repos et comparez K, U et E à une extrémité et à l’équilibre.
Pourquoi E reste-t-elle constante alors que K et U varient ?
Pas de la grille : 0,25 m. L’échelle des positions est fixe ; la position d’équilibre est x = 0.
La flèche F indique la direction de la résultante des forces ; sa longueur ne constitue pas une échelle quantitative.
Pour un ressort horizontal idéal, la force de rappel est Fₛ = −k x. La position x est mesurée par rapport à l’équilibre. Les conditions initiales sont x(0) = x₀ et v(0) = v₀. La pulsation propre est ω₀ = √(k/m) et la période est T₀ = 2π/ω₀.
Les points indiquent les dérivées par rapport au temps. Dans les expressions ci-dessous, t = 0 est l’instant initial choisi.
K = m v²/2, U = k x²/2 et E = K + U. La puissance de la force résistive étant −b v², l’énergie mécanique ne peut pas augmenter. L’énergie ne disparaît pas ; elle est transférée du système mécanique décrit par le modèle vers le milieu extérieur.
Pour un mouvement stable, lié et conservatif, une moyenne temporelle appropriée donne 2⟨K⟩ = ⟨x dU/dx⟩. Dans un potentiel harmonique, la moyenne sur une période complète donne ⟨K⟩ = ⟨U⟩ = E/2. Cela ne signifie pas que les énergies sont égales à chaque instant ; nous n’appliquons pas directement cette même égalité à un mouvement transitoire amorti.
Mouvement horizontal à une dimension, masse constante, ressort idéal sans masse obéissant à la loi de Hooke et coefficients constants. Le poids et la réaction normale se compensent verticalement. Aucune force d’excitation extérieure ni aucun bruit de mesure. La page du système amorti utilise uniquement une résistance proportionnelle à la vitesse. Modifier un paramètre relance l’expérience avec de nouvelles conditions initiales ; la transition liée au changement de paramètre n’est pas modélisée.
| Notation | Signification et unité |
|---|---|
| Temps ; s désigne la seconde. L’horloge utilise ns = 10⁻⁹ s. | |
| Position par rapport à l’équilibre (m) ; x₀ est la position initiale. Le signe indique le côté de l’équilibre. | |
| Première dérivée temporelle de la position : vitesse (m/s). Un point indique une dérivation par rapport au temps. | |
| Deuxième dérivée temporelle de la position : accélération (m/s²), taux de variation de la vitesse. Deux points indiquent deux dérivations. | |
| Masse m (kg), raideur k (N/m), coefficient visqueux b (kg/s). La résistance vaut −bv et la force du ressort −kx. | |
| ω₀ est la pulsation propre (rad/s) ; β = b/(2m) est le taux de décroissance (s⁻¹) ; ζ = β/ω₀ est sans dimension. Ce β n’est pas le v/c de l’horloge. | |
| Pulsation amortie (rad/s) en régime sous-amorti ; fréquence d’oscillation seulement pour ζ < 1. | |
| v₀ est la vitesse initiale (m/s). A, B et C± sont des coefficients (m) fixés par les conditions initiales, non indépendants. | |
| Deux taux exponentiels (s⁻¹) en régime suramorti. C₊ + C₋ = x₀ et r₊C₊ + r₋C₋ = v₀ imposent les conditions initiales. | |
| K est l’énergie cinétique, U l’énergie potentielle du ressort, E l’énergie mécanique totale (J). L’amortissement transfère de l’énergie mécanique vers l’environnement sous forme thermique. | |
| Les chevrons indiquent les moyennes temporelles, ici sur une période entière ou un nombre entier de périodes sans amortissement. |
Les ouvrages ci-dessous permettent d’approfondir les concepts abordés. Les hypothèses de la simulation sont précisées séparément ci-dessus.