Retour

vol_004.tex

Télécharger le fichier
Image JPEG
\exo {Volume d'une toupie}
 
Le but de cet exercice est de calculer le volume d'une toupie. On
obtient un modèle réduit de cette toupie par rotation autour de l'axe
des abscisses $(xx')$ de la surface hachurée ci-après (le modèle
réduit représente la toupie en position \og couchée \fg ).
%
\def \epspath {%
   $HOME/tex_doc/lycee/database/term/sti/analyse/integr/}
\epsfxsize = 120mm
%
$$
   \superboxepsillustrate {vol_004.ps}
$$
L'unité graphique est de 1~cm. 
 
On donne les quatre points $A (3, 4)$, $B (5, 2)$, $C (10, 0)$ et $D
(5, 0)$.
 
La partie inférieure du modèle réduit est le cône de révolution
engendré par le triangle $BCD$.
 
La partie supérieure du modèle réduit est engendrée par la surface
limitée par une courbe $\Gamma $ ayant l'allure générale du schéma et
vérifiant les conditions suivantes~:
 
\itemitem {$\bullet $} La courbe $(\Gamma )$ passe par les points $O$,
$A$ et $B$
 
\itemitem {$\bullet $} La courbe $(\Gamma )$ a une tangente
horizontale au point $A$.
 
\itemnum Vérifier que la courbe d'équation
$$
   y = 4 \sin \left( {\pi x \over 6}\right)
      \qquad
   \hbox {($x$ variant de 0 à 5)}
$$
remplit ces conditions. On admet dans la suite que c'est la courbe
$\Gamma $.
 
\itemitemalphnum En utilisant la formule donnant le volume d'un cône
de révolution ou bien en introduisant la fonction dont la courbe
représentative est le segment $[BC]$, calculer le volume en cm$^3$ de
la partie inférieure du modèle réduit.
 
\itemitemalph Linéariser $\displaystyle {\sin ^2 \left( {\pi x \over
6}\right) }$, puis calculer le volume en cm$^3$ de la partie
supérieure du modèle réduit.
 
\itemnum Sachant que la hauteur $OC$ de la toupie en vraie grandeur
est de 30~cm, calculer la valeur exacte du volume en cm$^3$ de cette
toupie, puis en donner une valeur approchée $0, 1$~cm$^3$ près.
 
{\narrower \narrower {\bf NB~:} \sl On rappelle que~:
si $f$ est une fonction continue et positive sur $[a, b]$, et si $E$
est l'ensemble des points $M (x, y)$ du plan tels que $a\leq x \leq b$
et $0\leq y \leq f (x)$, alors le volume $V$ d'un solide de révolution
engendré par la rotation de $E$ autour de $xx'$ est~:
$$
   V = \pi \int _a^b \left[ f (x)\right] ^2 \, dx.
$$
\par }
 
\finexo
 
\corrige {}
 
\itemnum Introduisons la fonction $f$. Si 
$$
   f (x) = 4 \sin \left( {\pi x \over 6}\right)
      \qquad {\rm alors} \qquad
   f' (x) = {4\pi \over 6} \cos \left( {\pi x \over 6}\right)
      = \dresultat {{2\pi \over 3} \cos \left( {\pi x \over 6}\right)
      = f' (x)}
$$
Il vient alors 
$$\displaylines {
   f (0) = 4 \sin (0) = 0
      \quad \Longrightarrow \quad
   \tresultat {$\Gamma $ passe par $O (0, 0)$}
\cr
   f (3) = 4 \sin \left( {\pi \over 2}\right) = 4
      \quad \Longrightarrow \quad
   \tresultat {$\Gamma $ passe par $A (3, 4)$}
\cr
   f (5) = 4 \sin \left( {5\pi \over 6}\right) = 4 \times {1\over 2} = 2
      \quad \Longrightarrow \quad
   \tresultat {$\Gamma $ passe par $B (5, 2)$}
\cr
   f' (3) = {2\pi \over 3} \cos \left( {\pi \over 2}\right) = 0
      \quad \Longrightarrow \quad
   \tresultat {$\Gamma $ admet une tangente horizontale au point
      d'abscisse 3}
\cr
}$$
Ainsi \tresultat {les 4 conditions sont vérifiées}.
 
\itemalphnum {\bf 1ère méthode~:} on utilise la
formule qui donne le volume d'un cône de révolution~:
$$
   V = {\pi R^2 h\over 3}
      \qquad {\rm soit\ ici} \qquad
   \dresultat {V_1 = {20\pi \over 3} \cm ^3}
$$
 
\item {} {\bf 2ème méthode~:} on introduit la fonction $g$ dont la courbe
      représentative est le segment $[BC]$. Comme c'est un segment de
      droite, la fonction $g$ est affine et a une écriture de la forme
      $g (x) = ax+b$ où $a$ et $b$ sont des constantes réelles. On
      trouve 
$$
\eqalign {
   \dresultat {g (x) = -{2\over 5} x + 4}
      \qquad {\rm d'où} \qquad
   V_1 &= \pi \int _5^{10} \left( -{2\over 5} x + 4\right) ^2 \, dx
      = \pi \int _5^{10} \left( {4\over 25} x^2 -{16\over 5} x + 16\right) \, dx
\cr
   &= \pi \left[ {4\over 3\times 25} x^3 -{8\over 5} x^2 + 16x\right]
   _5^{10}
\cr
   &= \pi \left( \left( {160\over 3} - 160 + 160 \right) - \left( {20\over 3} - 40
+ 80 \right) \right)
   = \dresultat {{20\pi \over 3} \cm ^3}
\cr
}$$
 
\itemalph On trouve cette linéraisation dans le formulaire~:
\dresultat {\sin ^2 \left( {\pi x \over 6}\right) = {1\over 2} \left(
1 - \cos \left( {\pi x \over 3}\right) \right) }. Or le volume $V_2$
de la partie supérieure du modèle réduit vérifie
$$\displaylines {
\eqalign {
   V_2 &= \pi \int _0^5 4^2 \sin ^2 \left( {\pi x \over 6}\right) \, dx
      =  \pi \int _0^5  {16\over 2} \left( 1 - \cos \left( {\pi x
      \over 3}\right) \right) \, dx
\cr
   &= 8\pi \times \int _0^5 \left( 1 - \cos \left( {\pi x\over
   3}\right) \right) \, dx 
\cr
   &= 8\pi \times \left[ x - {3\over \pi} \sin \left(
   {\pi x\over 3}\right) \right] _0^5  
\cr
   &= 8\pi \times \left( 5 - {3\over \pi} \sin \left(
   {5\pi \over 3}\right) - \left( - {3\over \pi} \sin 0 \right)
   \right) 
   = 8\pi \left( 5 + {3\over \pi }\times {\sqrt 3\over 2}\right)
\cr }
\cr
      {\rm soit} \qquad
   \dresultat {V_2 = \left( 40\pi + 12\sqrt 3\right) \cm ^3}
\cr
}$$
 
\itemnum L'échelle entre le modéle réduit et le modèle réel est de 1 à
3. On a donc 1~cm pour 3~cm, 1~cm$^2$ pour $3^2$~cm$^2$, et 1~cm$^3$
   pour $3^3$~cm$^3$. D'où le volume de la toupie en vraie grandeur~:
$$
   V = 27 \times (V_1 + V_2) \cm ^3
      \qquad {\rm soit} \qquad
   \dresultat {V = (1\, 260 \pi +324\sqrt 3) \cm ^3 \approx 4\, 519, 6
      \cm ^3}
$$
 
\fincorrige