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equ2_011.tex

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\exo{Suspension de remorque, {\rm bts mai}, {\sl 1996}}
 
\let \partie \centerpartie
 
L'objet de cet exercice est l'étude de la suspension d'une remorque
dans les deux cas suivants~: système sans amortisseur puis avec
amortisseurs.
 
Le centre d'inertie $G$ d'une remorque se déplace sur un axe
vertical$(O, \vec \imath\,)$ dirigé vers le bas (unité~: le mètre); il
est repéré par son abscisse $x (t)$ en fonction du temps $t$ exprimé
en secondes. On suppose que cette remorque à vide peut être assimilée
à une masse $M$ ($M>0$) reposant sur un ressort fixé à l'axe des
roues.
 
\def \epspath{%
   $HOME/tex_doc/lycee/database/btsmai/analyse/equadiff/}
\epsfxsize = 80mm
 
$$
   \epsillustrate{equ2_011.ps}
$$
Le point $O$ est la position d'équilibre occupée par $G$ lorsque la
remorque est vide.
 
La remorque étant chargée d'une masse, on enlève cette masse et $G$ se
met alors en mouvement. On considère que $t=0$ au premier passage de
$G$ en $O$.
 
\partie{A -- Mouvement non amorti}
 
L'abscisse $x (t)$ de $G$ est alors, à tout instant $t$, solution de
l'équation $M x'' (t) + k x (t) = 0$ où $k$ désigne la raideur du
ressort, ce qui peut encore s'écrire~:
$$
   M x'' + kx = 0.
\leqno
   (1)
$$
On prend~: $M = 250\kg$ et $k = 6\, 250$~N.m$^{-1}$.
 
Déterminer la solution particulière de l'équation différentielle $(1)$
vérifiant les conditions initiales $x (0) = 0$ et $x' (0) = -0,
10$~m.s$^{-1}$.
 
Préciser la période de cette solution particulière.
 
\partie{B -- Mouvement amorti}
 
On équipe la remorque d'amortisseurs de constante d'amortissement
$\lambda$. L'abscisse $x (t)$ du point $G$ vérifie alors à tout instant
$t$ l'équation $Mx'' (t) + \lambda x' (t) + kx (t) = 0$, ce qui peut
encore s'écrire
$$
   Mx'' + \lambda x' + kx = 0.
\leqno
   (2)
$$
On prend~: $M = 250\kg$, $k = 6\, 250$~N.m$^{-1}$ et $\lambda = 1\,
500$~N.s.m$^{-1}$.
 
\itemitemalphnum Déterminer dans ces conditions la solution générale
de l'équation différentielle $(2)$.
 
\itemitemalph Sachant que $x (0) = 0$ et $x' (0) = - 0,
08$~m.s$^{-1}$, déterminer la solution particulière de l'équation
$(2)$ définissant le mouvement de $G$.
 
\itemnum On considère la fonction $f$ définie sur l'intervalle $[0,
+\infty[$ par $f (t) = -0, 02 e^{-3t} \sin (4t)$.
 
\itemitemalph Déterminer les valeurs de $t$ appartenant à l'intervalle
$[0; 1,5]$ pour lesquelles $f (t) = 0$.
 
\itemitemalph Déterminer la dérivée $f'$ de la fonction $f$.
 
\itemitemalph On admet que, pour $a \neq 0$, les équations 
$$
   a \sin \alpha + b \cos \alpha = 0 
      \qquad {\rm et} \qquad
   \tan \alpha = - {b \over a}
      \quad \hbox{(d'inconnue $\alpha$)}
$$
ont les mêmes solutions.
 
\itemitem{} Déterminer des valeurs approchée à $10^{-2}$ près des
nombres réels $t$ appartenant à l'in\-ter\-val\-le $[0; 1, 5]$ et annulant
$f' (t)$. Pour chaque valeur ainsi obtenue, préciser la valeur
correspondante de $f (t)$.
 
\itemitemalph Déduire des questions précédentes l'allure de la courbe
$C_f$, représentative de $f$ dans le plan rapporté à un repère
orthogonal. On prendra 10~cm (ou 10~grands carreaux) pour unité en
abscisse, et 1~cm (ou 1~grand carreau) pour $0, 002$ unité en ordonnée.
 
\finexo
 
\corrige{}
 
\let \partie \llappartie
 
\partie{A}
%
Soit donc à résoudre l'équation différentielle
$$
   Mx'' + kx = 0.
\leqno
   (1)
$$
$\bullet$ L'équation caractéristique associée est~: \quad $Mr^2 + k = 0$,
équation qui admet les deux racines complexes conjuguées $\pm i
\sqrt{k/M} = \pm 5i$ avec les valeurs numériques de $M$ et $k$
données. On en déduit 
que les solutions de l'équation $(1)$ sont toutes les fonctions $x$
ayant une écriture du type $x = e^0 (A\cos (5t) + B \sin (5t))$ où $A,
B$ constantes réelles quelconques, soit \dresultat{x (t) = A\cos (5t) + B
\sin (5t) \quad \hbox{où $A, B$ constantes réelles quelconques}}.
 
$\bullet$ Si $x$ est une solution de $(1)$, alors $x (0) = A$. De la
condition initiale $x (0) = 0$, on en déduit que, pour la solution
particulière cherchée, \mresultat{A=0}.
 
$\bullet$ Toujours pour la solution particulière $x$ cherchée, on aura
alors $x' (t) = 5B \cos (5t)$. La condition initiale $x' (0) = -0, 10$
donne alors \mresultat{B = -0, 02}.
 
$\bullet$ Finalement, la solution de $(1)$ vérifiant les deux
conditions initiales données est la fonction $x$ définie sur $\rset$
par \dresultat{x (t) = -0, 02 \sin {5t}}.
%
Cette fonction est périodique de période\dresultat{\omega = 2\pi /5}.
 
\partie{B}
%
On considère maintenant l'équation
$$
   Mx'' + \lambda x' + kx = 0.
\leqno
   (2)
$$
 
\itemalphnum L'équation caractéristique associée est
$$
   Mr^2 + \lambda r + k = 0.
$$
Son discriminant est $\Delta = \lambda^2 - 4Mk$, soit $\Delta =
-4.10^6 = (2000 i)^2$ avec les valeurs numériques de $M$, $\lambda$ et
$k$ données. L'équation caractéristique admet donc les deux racines
complexes conjuguées $(-\lambda \pm 2000i) / 2M = -3 \pm 4i$. D'où la
solution générale de l'équation $(2)$~: \dresultat{x (t) = e^{-3t}
\big( A \cos (4t) + B \sin (4t) \big) } où $A$ et $B$ sont des
constantes réelles quelconques.
 
\itemalph De $x (0) = 0$, on en déduit que \mresultat{A = 0} puisque
$x (0) = A$. 
 
\item{} On a alors $x' (t) = -3 e^{-3t} \times B \sin (4t) + 4B
e^{-3t} \cos (4t)$, et donc $x' (0) = 4B$. De la condition initiale
$x' (0) = -0, 08$, on tire alors \mresultat{B = -0, 02}. La solution
particulière cherchée est donc la fonction $x$ définie sur $\rset$ par
\dresultat{x (t) = -0, 02e ^{-3t} \sin (4t)}.
 
\itemalphnum Sans surprise, la fonction $f$ à étudier est la solution
particulière que l'on vient de trouver à la question précédente. Comme
$e^{-3t}$ est toujours non nul, on a
$$
   f (t) = 0
     \qquad \Longleftrightarrow \qquad
   \sin (4t) = 0
     \qquad \Longleftrightarrow \qquad
   4t = k \pi, \quad k \in \zset
     \qquad \Longleftrightarrow \qquad
   \dresultat{t = k {\pi \over4}, \quad k \in \zset}
$$
Sur l'intervalle $[0; 1, 5]$, l'équation $f (t) = 0$ admet donc les
deux solutions~: \dresultat{0 \ {\rm et}\ {\pi \over4}}.
 
\itemalph On trouve $f' (t) = 0, 06 e^{-3t} \sin (4t) - 0, 08 e^{-3t}
\cos (4t)$, soit \dresultat{f' (t) = 0, 02 e^{-3t} \big( 3 \sin (4t) - 4
\cos (4t) \big) }.
 
\itemalph Comme $0, 02 e^{-3t}$ est toujours différent de $0$, il
vient~:
$$\displaylines{
   f' (t) = 0
     \qquad \Longleftrightarrow \qquad
    3 \sin (4t) - 4 \cos (4t) = 0
     \qquad \Longleftrightarrow \qquad
   \tan (4x) = {4\over3}
\cr
     \Longleftrightarrow \qquad
   4x = \arctan \left( {4\over3} \right) + k\pi, \quad k \in \zset
     \qquad \Longleftrightarrow \qquad
   x = {1\over4} \arctan \left( {4\over3} \right) + k {\pi \over4},
     \quad k \in \zset
\cr
}$$
En essayant différentes valeurs de $k$, on trouve que l'équation $f'
(t) = 0$ admet deux solutions $t_1$ et $t_2$ (pour $k=0$ et $k=1$)
dans l'intervalle $[0; 1, 5]$. On a \mresultat{t_1 \approx 0, 23} et
\mresultat{t_2 \approx 1, 02}. Les valeurs correspondantes de $f$ sont
\mresultat{f (t_1) \approx 0, 008} et \mresultat{f (t_2) \approx 0, 000\, 8}.
 
\def \epspath{%
   $HOME/tex_doc/lycee/database//btsmai/analyse/equadiff/}
 
\epsfxsize = 150mm
 
\itemalph
$$
   \superboxepsillustrate{equ2_011b.ps}
$$
 
\fincorrige