Equation du pendule

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1. Explication de l'équation générale du mouvement.

Soit l'équation du mouvement du pendule:

(signe de ) (I,1)

Le terme en ‘a’ correspond au coefficient de la vitesse quadratique due à la résistance de l’air lors du mouvement du pendule. Pour des vitesses qui ne sont pas très élevées, la résistance est proportionnelle au carré de la vitesse. par unité de surface.Le coefficient a est sans dimension. Avec r: coefficient de résistance dépendant du nombre de Reynolds.

Le nombre de Reynolds est R avec L une longueur caractéristique du solide. Le terme en ‘b’ est homogène a l’inverse d’un temps et son expression sera établie plus loin. Pour les objets animés de vitesses très faibles, la résistance est proportionnelle à la vitesse( loi de Stockes ). ; h étant la viscosité dynamique et r la masse volumique avec .

Détermination de ‘b’: mouvement oscillatoire dans un fluide visqueux.

 

Dans cette partie, nous allons traiter du cas plutôt théorique du mouvement oscillatoire d'un plan infini (dans son propre plan) dans un fluide visqueux à la pulsation w .

Nous considérerons que le plan est confondu avec yoz et qu'il est animé d'une vitesse

Notons v la vitesse du fluide. Les conditions à la surface du fluide sont:

(en x=0)

La symétrie du problème implique que les grandeurs en jeux sont toutes en fonction de x et de t. L'équation de continuité nous donne div v=0 ou dans le cas de notre problème

Donc et d'après nos conditions limites cte=0.

A ce stade l'équation de Navier-Stokes est (I,4)

Le coefficient h est appelé viscosité dynamique et le rapport h /r est la viscosité cinématique. Mais aucunes grandeurs ne dépend de z et y donc 0 .

Cette équation ainsi obtenue de (I,4) est linéaire, sa composante suivant x impose que p soit constant.

De sorte que l’équation (I,4) devienne : (I,5)

 On cherche une solution périodique satisfaisant (I,5) et les conditions en x=0 ;i.e.

. On injecte cette solution dans (I,5) et on obtient:

On peut donc écrire:

La vitesse de propagation de l'onde est orthogonale à sa direction de propagation. L'onde s’amortit de e pour une distance de d . Ceci est d'autant moins fort que la fréquence est grande et que la viscosité est faible.

La force de frottement par unité de surface est dirigée suivant oy et est

On prend la partie réelle (I,6)

 Il existe donc un déphasage entre f et u. L'énergie dissipée est donnée par le travail de (I,6) par unité de temps.

 Dans le cas expérimental que nous aurons à traiter notre plan ne sera bien-sûr pas infini et n'oscillera pas suivant oy. Pourtant la plaque de polystyrène qui le constituera oscillera bien dans son propre plan et suivant une seule coordonnée i.e. au lieu de . Nous considérerons que les expressions précédemment établies pourront êtres utilisables dans nos expériences.

Expression de b:

On a obtenu l'expression de la force de frottement que nous identifions avec celle de l'introduction f=sv or b=-s/m

On a donc pour une face b= mais notre plaque compte deux faces d'où b=2 .

Avec h air=1,8.10-5 Pas et r air=1,2.10-3 g/cm3 à 20°c.

Le terme en ‘c’ correspond au frottement solide indépendant de la vitesse proportionnel à l’inverse d’un temps au carré.

/(ml²) ,g étant en kg s-² m².

Nous allons dédimensionner (I,1) en posant t = où t’est sans dimension. Cette opération a pour but de permettre de comparer les valeurs des coefficients et leur influence sur l'évolution du système.

que nous injectons dans (I,1).

(I,2)

En posant A=a , B=b.et C= , nous obtenons l’équation sans dimension :

(I, 3)

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Page mise à jour le 25/11/06