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equ2_012.tex

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\exo{\'Etude d'un système de sécurité, {\sl bts mai}, {\sl 1995}}
 
\catcode`\|=12
 
\input $HOME/tex_doc/format/pstricks/pstricks.tex
 
{\sl Principe du fonctionnement (voir schémas ci-dessous).}
 
\def \epspath {%
   $HOME/tex_doc/lycee/database/btsmai/analyse/equadiff/}
 
$$
\superboxit {0pt} {
   %% xsize: 93.13 mm, 265 pt
   %% ysize: 102.89 mm, 292.77 pt
   \psset{unit=1pt}
   \pspicture(-63.05,-90.83)(201.94,201.94)
   \psset{xunit=27.77,yunit=27.77}
   \rput(2.5,2){\epsfbox{\epspath equ2_012a.ps}}
   \cput(1,4){$2$}
   \cput(2,4){$5$}
   \cput(3,4){$3$}
   \cput(4,4){$1$}
   \cput(5,4){$4$}
   \rput(2.5,-2.5){Schéma A}
   \psline(.8,3.8)(0,2)
   \psline(2,3.75)(1,.7)
   \psline(3,3.75)(1.8,1)
   \psline(4,3.75)(3.5,0.2)
   \psline(4.8,3.8)(4.15,1.2)
   \endpspicture
}
$$
 
Une tige horizontale $(1)$ de longueur $\ell $ est solidarisée
perpendiculairement à un arbre $(2)$ d'une machine tournant à une
vitesse angulaire constante $\omega $. Un ressort $(5)$ de constante
de raideur $k$ est fixé par l'une de ses extrémités à l'arbre et par
l'autre à un solide $(3)$ de masse $M$, qui peut coulisser sans
frottement sur la tige. Si le solide arrive en butée, il actionne un
capteur $(4)$ qui déclenche l'arrêt de la machine (voir schéma~A).
 
{\sl Le but de l'exercice est de déterminer le mouvement du point $P$ (voir
schéma B).}
 
$$
\superboxit {0pt} {
   %% xsize: 93.13 mm, 265 pt
   %% ysize: 98.99 mm, 281.66 pt
   \psset{unit=1pt}
   \pspicture(-57.5,-107.5)(207.5,174.16)
   \psset{xunit=33.33,yunit=33.33}
   \rput(2.25,1){\epsfbox{\epspath equ2_012b.ps}}
   \rput(.8,2.2){$\ell _0$}
   \rput(1.5,3.2){$x (t)$}
   \rput(2.3,4.2){$\ell $}
   \rput(2.5,-2.8){Schéma B}
   \psdot(0,0)
   \endpspicture
}
$$
 
Pour cela, on munit la droite $(OA)$ d'un repère $(O, \vec \imath \,
)$ où $\overrightarrow {OA} = \ell \vec \imath $ (unité~: le mètre).
 
L'unité de temps étant la seconde, la position du point $P$ à
l'instant $t$ est alors repérée par son abscisse $x (t)$ dans le
repère précédent et l'on a, à tout instant $t$~:
$$
   \ell_0 \leq x \leq \ell
\leqno (1)
$$
%\vss
\vskip -10mm
$$
   x'' (t) + \left( {k \over M} - \omega ^2 \right) x (t) = {k \over
M} \ell _0
      \qquad \hbox {qui s'écrit~: } \qquad
   x'' + \left( {k \over M} - \omega ^2 \right) x = {k \over M}  \ell
_0
\leqno
   (2)
$$
Les contraintes techniques fixent pour tout le problème~
$$
   M = 0, 062\, 5 \kg
      \qquad
   k = 169 \N . {\rm m} ^{-1}
      \qquad
   \ell _0 = 0, 072 {\rm m}
      \qquad
   \ell = 0, 12 {\rm m}
$$
D'autre part, pour simplifier l'étude, les conditions initiales 
sont fixées à $t = 0$~: $x (0) = \ell _0$ et $x' (0) = 0$.
 
{\sl Question préliminaire~:}
 
Vérifier que l'équation différentielle $(2)$ s'écrit~:
$$
   x'' + (2\, 704 - \omega ^2) x = 194, 688.
\leqno 
   (E)
$$
 
\itemnum On considère dans cette question que $\omega = 20 \rd . \s ^{-1}$.
 
\itemitemalph Résoudre sur $\rset $ l'équation différentielle $x'' +
(2\, 704 - \omega ^2) x = 0$.
 
\itemitemalph Déterminer une fonction constante solution de $(E)$.
En déduire la forme générale des solutions de $(E)$ puis la solution
particulière vérifiant les conditions initiales données.
 
\itemitemalph La position du point $P$ est donnée par~:
$$
   x (t) = - 0, 012\, 5 \cos (48 t) + 0, 084\, 5.
$$
Le point $P$ atteint-il la butée~?
 
\itemnum On considère maintenant que $\omega = 110, 5 \rd . \s ^{-1}$.
 
\itemitemalph En adoptant la même démarche qu'à la question {\bf 1.},
montrer que la forme générale des solutions de l'équation $(E)$
est~:
$$
   C_1 e^{97, 5 t} + C_2 e^{-97, 5 t} - 0, 020\, 48
$$
puis déterminer la solution particulière $x$ vérifiant les conditions
initiales données.
 
\itemitemalph Calculer $x (0, 01)$ et $x (0, 02)$. Interpréter le résultat.
 
\itemnum On considère enfin que $\omega = 52 \rd . \s ^{-1}$.
 
\itemitemalph Déterminer la solution particulière de l'équation
différentielle $(E)$ vérifiant les conditions initiales données.
 
\itemitemalph \`A quel instant le point $P$ atteint-il la butée~?
 
\finexo
 
\corrige {}
 
{\sl Question préliminaire~:}
 
Comme $k/M = 2\, 704$, on vérifie facilement que l'équation différentielle $(2)$ s'écrit~:
$$
   x'' + (2\, 704 - \omega ^2) x = 194, 688.
\leqno 
   (E)
$$
 
\itemnum Avec $\omega = 20$, l'équation $(E)$ s'écrit
$$
   \dresultat {x'' + 2\, 304 x = 194, 688}.
\leqno 
   (E)
$$
 
\itemalph L'équation sans second membre $(E_0)$~: $x'' + (2\, 704 -
\omega ^2) x = 0$ s'écrit
$$
   (E_0) \qquad x'' + 2\, 304 x = 0
      \qquad \hbox {d'équation caractéristique} \qquad
   r^2 + 2\, 304 = 0
$$
L'équation caractéristique admet les deux solutions complexes
conjuguées $r = \pm i \sqrt {2\, 304} = \pm 48i$. La solution générale
de l'équation sans second membre $(E_0)$ est donc la fonction
$$\dresultat {
   x (t) = A \cos (48 t) + B \sin (48 t)
      \qquad \hbox {où $A$ et $B$ constantes réelles quelconques.}
}$$
 
\itemalph La fonction constante $x$ définie pour tout réel $t$ par
$$\dresultat {
   x (t) = {194, 688 \over 2\, 304} = 0, 084\, 5
}$$
est une solution évidente de l'équation $(E)$.
 
\item {$\bullet $} La forme générale des solutions de l'équation $(E)$ est donc
$$\dresultat {
   x (t) = 0, 084\, 5 + A \cos (48 t) + B \sin (48 t)
      \qquad \hbox {où $A$ et $B$ constantes réelles quelconques.}
}$$
 
\item {$\bullet $} Sachant que la fonction cherchée a une écriture de ce type, elle
vérifiera donc
$$
   x (0) = 0, 084\, 5 + A 
      \qquad {\rm et} \qquad 
   x' (t) = -48 A \sin (48 t) + 48 B \cos (48 t)
      \quad {\rm soit} \quad 
   x' (0) = 48 B.
$$
Des conditions initiales $x (0) = \ell _0$ et $x' (0) = 0$, on
déduit alors le système
$$
   \cases {
      0, 084\, 5 + A = \ell _0 = 0, 072
   \cr
      0 = 48 B
   \cr}
      \qquad {\rm d'où} \qquad 
   \dresultat {(A\; ; B) = (-0, 012\, 5 \; ; 0)}
$$
 
\item {$\bullet $} Finalement, la solution particulière cherchée est
      la fonction $x$ définie par 
$$\dresultat {
   x (t) = 0, 084\, 5 - 0, 012\, 5 \cos (48 t)
}$$
 
\itemalph Le point $P$ atteint la butée s'il existe un nombre réel
positif $t$ tel que $x (t) = \ell = 0, 12$. Autrement dit s'il existe
une solution réelle $t$ à l'équation
$$
   \cos (48 t) = {0, 084\, 5 - 0, 12 \over 0, 012\, 5} \approx -2, 85.
$$
Comme la valeur d'un cosinus est toujours comprise entre $-1$ et 1, on
peut affirmer que cette équation n'a pas de solution réelle. Le point
\tresultat {$P$ n'atteint pas la butée} dans ce cas de figure.
 
\itemnum Avec $\omega = 110, 5$, l'équation $(E)$ s'écrit
$$
   \dresultat {x'' - 9\, 506, 25 x = 194, 688}.
\leqno 
   (E)
$$
 
\itemalph L'équation sans second membre $(E_0)$~: $x'' + (2\, 704 -
\omega ^2) x = 0$ s'écrit
$$
   (E_0) \qquad x'' - 9\, 506, 25 x = 0
      \qquad \hbox {d'équation caractéristique} \qquad
   r^2 - 9\, 506, 25 = 0
$$
L'équation caractéristique admet les deux racines réelles
$r = \pm \sqrt {9\, 506, 25} = \pm 97, 5$. La solution générale
de l'équation sans second membre $(E_0)$ est donc la fonction
$$\dresultat {
   x (t) = A e^{97, 5 t} + B e^{-97, 5 t}
      \qquad \hbox {où $A$ et $B$ constantes réelles quelconques.}
}$$
 
\itemalph La fonction constante $x$ définie pour tout réel $t$ par
$$\dresultat {
   x (t) = {194, 688 \over - 9\, 506, 25} = - 0, 020\, 48
}$$
est une solution évidente de l'équation $(E)$.
 
\item {$\bullet $} La forme générale des solutions de l'équation $(E)$ est donc
$$\dresultat {
   x (t) = - 0, 020\, 48 + C_1 e^{97, 5 t} + C_2 e^{-97, 5 t}
      \qquad \hbox {où $C_1$ et $C_2$ constantes réelles quelconques.}
}$$
 
\item {$\bullet $} Sachant que la fonction cherchée a une écriture de ce type, elle
vérifiera donc
$$
   x (0) = - 0, 020\, 48 + C_1  + C_2
      \qquad {\rm et} \qquad 
   x' (t) = 97, 5 C_1 e^{97, 5 t} - 97, 5 C_2 e^{-97, 5 t}
      \quad {\rm soit} \quad 
   x' (0) = 97, 5 (C_1-C_2)
$$
Des conditions initiales $x (0) = \ell _0$ et $x' (0) = 0$, on
déduit alors le système
$$\displaylines {
   \cases {
      - 0, 020\, 48 + C_1  + C_2 = \ell _0 = 0, 072
   \cr
      0 = 97, 5 (C_1-C_2)
   \cr}
      \qquad \Longleftrightarrow \qquad
   \cases {
      C_1 = {1\over 2} (0, 072 + 0, 020\, 48)
   \cr
      C_1 = C_2
   \cr}
\cr
      {\rm d'où} \qquad 
   \dresultat {(C_1\; ; C_2) = (0, 046\, 24 \; ; 0, 046\, 24)}
\cr
}$$
 
\item {$\bullet $} Finalement, la solution particulière cherchée est
la fonction $x$ définie par 
$$\dresultat {
   x (t) = - 0, 020\, 48 + 0, 046\, 24 \left( e^{97, 5 t} + e^{-97, 5 t}\right)
}$$
 
\itemalph Avec cette dernière fonction, on a \dresultat {x (0, 01)
\approx 0, 119\, 5} et \dresultat {x (0, 02) \approx 0, 311}. On en
déduit que la distance $\ell = 0, 12$ est atteinte pour un instant
$t_0 \in [0, 01 \; ; 0, 02]$. En résumé, \tresultat {le point $P$
atteint la butée}.
 
\itemnum Avec $\omega = 52$, l'équation $(E)$ s'écrit
$$
   \dresultat {x'' = 194, 688}.
\leqno 
   (E)
$$
 
\itemalph L'équation sans second membre $(E_0)$~: $x'' + (2\, 704 -
\omega ^2) x = 0$ s'écrit
$$
   (E_0) \qquad x'' = 0
      \qquad \hbox {d'équation caractéristique} \qquad
   r^2 = 0
$$
L'équation caractéristique admet la racine double $r = 0$. La solution générale
de l'équation sans second membre $(E_0)$ est donc la fonction
$$\dresultat {
   x (t) = A t  + B
      \qquad \hbox {où $A$ et $B$ constantes réelles quelconques.}
}$$
 
\item {$\bullet $} Pour déterminer une solution évidente de l'équation $(E)$,
il suffit de faire deux intégrations successives.
Une primitive de $x'' = 194, 688$ est $x' = 194, 688 t$, et une
primitive de $x'$ est la fonction 
$$
   x (t) = 194, 688 {t^2 \over 2} 
      \qquad {\rm soit} \qquad
   \dresultat {x (t) = 97, 344 t^2}
$$
 
\item {$\bullet $} La forme générale des solutions de l'équation $(E)$ est donc
$$\dresultat {
   x (t) = 97, 344 t^2 + A t  + B
      \qquad \hbox {où $A$ et $B$ constantes réelles quelconques.}
}$$
 
\item {$\bullet $} Sachant que la fonction cherchée a une écriture de ce type, elle
vérifiera donc
$$
   x (0) = B
      \qquad {\rm et} \qquad 
   x' (t) = 194, 688 t + A
      \quad {\rm soit} \quad 
   x' (0) = A
$$
Des conditions initiales $x (0) = \ell _0$ et $x' (0) = 0$, on
déduit alors le système
$$\displaylines {
   \cases {
      B = \ell _0 = 0, 072
   \cr
      A = 0
   \cr}
      \qquad {\rm d'où} \qquad 
   \dresultat {(A\; ; B) = (0 \; ; 0, 072)}
\cr
}$$
 
\item {$\bullet $} Finalement, la solution particulière cherchée est
la fonction $x$ définie par 
$$\dresultat {
   x (t) = 97, 344 t^2 + 0, 072.
}$$
 
\itemalph Si le point $P$ atteint la butée à l'instant $t_0$, on aura
$x (t_0) = \ell $. Il faut donc résoudre l'équation
$$
   97, 344 t^2 + 0, 072 = 0, 12
      \qquad \Longleftrightarrow \qquad
   t^2 = {0, 12 - 0, 072 \over 97, 344} \approx 4, 9 . 10^{-4}
      \qquad \Longleftrightarrow \qquad
   t \approx \pm \sqrt {4, 9 . 10^{-4}}
$$
L'instant $t_0$ cherché est la seule solution positive, soit
\dresultat {t_0 \approx 0, 022 \ms }.
 
 
\fincorrige