TP 5
Auteur: Olivier Musset, Maître de conférences, université de Bourgogne
Les simulations par applets Java proviennent du site de Jean-Jacques Rousseau de l'Université du Maine:
Mécanique : étude de mouvements rectilignes
I) Force appliquée sur une poulie Poulies
Objectifs.
Mesurer la force présente sur une poulie dans le cas où la poulie renvoie la direction de la force à 90°.
Manipulations.
Accrocher le fil, relié au porte poids, au chariot gris.
Accrocher de l’autre côté du chariot le dynamomètre en le tenant à la main horizontalement.
Placer le fil sur la poulie et suspendre successivement les masses de 50g et deux fois 50g. Mesurer la force indiquée sur le dynamomètre.
Comparer cette force à celle obtenue en accrochant directement 50g et deux fois 50g au dynamomètre tenu en position verticale.
Que pouvez vous conclure sur le rôle de la poulie. Faire un schéma récapitulatif en indiquant les différentes forces présentes.
On pourra vérifier le comportement des poulies avec l’applet Java. La poulie sera utilisée ultérieurement lors de l’étude du mouvement uniformément accéléré.
II) Mouvement rectiligne uniforme Mouvement rectiligne
Objectifs.
Acquérir la notion de mouvement uniforme en calculant la vitesse d’un chariot à moteur à partir de mesure de distances et de temps. Les photos suivantes présentent le marqueur et son alimentation.
Manipulations.
On utilise la piste longue de 1m pour cet essai. Le chariot utilisé est le violet fonctionnant à piles.
Positionner le chariot d’un côté de la piste, puis accrocher le ruban marqueur dans le petit rouleau rouge du chariot d’un côté et dans le bloc marqueur de l’autre (voir photo). Vérifier que le bloc est bien connecté à l’alimentation 6V alternatif.
Mettre en marche l’alimentation et le chariot avec sa vitesse positionnée sur faible, poser le chariot sur le rail et le laisser rouler jusqu’en bout de course. Eteindre l’alimentation du marqueur. Couper le ruban pour ne garder que la longueur utile correspondant au mouvement. Refaire l’expérience pour une vitesse rapide.
Exploitation des mesures.
A l’aide du mètre repérer les positions des impacts sur le papier en prenant pour origine des distances le début du marquage par exemple. Reporter ces valeurs dans le tableau suivant en précisant le temps parcouru à chaque impact (l’origine des temps est prise commune avec celle des distances).
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Positions X (en cm) |
Temps t (en s) |
Vitesse instantanée v (en m/s) |
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On notera que le système de marquage est basé sur une alimentation alternative 50Hz. La différence de temps entre deux points marqués est donc de 1/50 seconde soit 20ms.
Pour le calcul de la vitesse instantanée au point numéro i, on utilisera la relation suivante :
Tracer alors la position et la vitesse en fonction du temps. Préciser, en justifiant, à partir de quel instant t le mouvement peut être considéré comme rectiligne uniforme. Sur la portion des graphes correspondant à ce cas, donner l’équation des courbes obtenues pour la position et la vitesse en fonction du temps. Comparer à ce qu’indique l’équation générale du mouvement rectiligne uniforme.
III) Mouvement uniformément accéléré
Objectifs.
Un chariot se déplace sur la piste tout en étant soumis au poids d’une masse. A l’aide du marqueur de temps et de la bande enregistreuse, étudier la variation de position et de vitesse en fonction du temps.
Manipulation.
Le montage est celui du système à deux rails avec la poulie placée à l’extrémité comme sur la photo suivante. On utilisera un seul des deux marqueurs : celui placé à l’extrémité opposée de la poulie.
Placer une masse de 50g sur le chariot et une de 4g sur le porte masse accroché à l’extrémité du fil blanc. Le fil est attaché à son autre extrémité au chariot en passant par la rainure de la poulie.
Ramener le chariot en bout de rail.
Le papier marqueur étant fixé au chariot, mettre en marche l’alimentation du marqueur puis lâcher le chariot.
Attention à rattraper le chariot en fin de mouvement pour éviter sa chute !!!!!
Arrêter l’alimentation du marqueur pour préserver vos oreilles…
Exploitation des mesures.
Repérer les positions des impacts sur le papier en prenant pour origine des distances le début du marquage (la différence de temps entre deux points marqués est comme précédemment de 1/50 seconde soit 20ms). Reporter ces valeurs dans le tableau suivant en précisant le temps parcouru à chaque impact (l’origine des temps est prise commune avec celle des distances).
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Positions X (en cm) |
Temps t (en s) |
Vitesse instantanée v (en m/s) |
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Tracer alors la position et la vitesse en fonction du temps. Préciser, en justifiant, la nature des courbes obtenues. Que peut-on dire de la variation de la vitesse au cours du temps ?
Refaire un graphe en traçant la position en fonction du temps au carré, quelle est la nature de la courbe obtenue ?
Proposer à partir des deux graphiques précédents deux expressions pour la position et la vitesse en fonction du temps. Comparer ces expressions à ce qu’indique l’équation générale du mouvement rectiligne uniformément varié :
IV) Quel est le rapport entre force et accélération ?
A partir de l’expérience précédente sur le mouvement accéléré et celle sur la poulie, faire un schéma du chariot sur lequel vous représenterez les forces appliquées lors du mouvement (poids, tension du fil, frottements, etc.…).
En utilisant le principe de la poulie donner une approximation de la force appliquée au chariot par le fil tendu ( on suspendra une masse de 4g en bout de fil).
Comparer cette force au produit de l’accélération par la masse du poids du chariot.
Refaire la même expérience en plaçant 8g sur le fil suspendu.
Calculer l’accélération du chariot. Quelle est la variation de la l’accélération avec l’augmentation de la masse suspendue c’est à dire de la force de traction ?
Tracer rapidement sur un graphique l’accélération en fonction de la masse suspendue (on prendra en compte le fait que s’il n’y pas de masse suspendue, il n’y a pas de mouvement). Quelle est la nature de la courbe obtenue ? Vérifiez-vous la relation fondamentale de la dynamique ?
Ps. : pour déterminer l’accélération rapidement, on pourra utiliser la relation liant la position X au temps t suivante :
V) Observation du choc élastique
L’observation du choc élastique sera faite en fonction du temps restant disponible. On se servira des deux applets JAVA suivants :
Une observation qualitative, à l’aide des chariots et du rail, pourra être faite. Cette manipulation se fera avec l’enseignant de travaux pratiques.
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