Exercices de physique des dispositifs 5 , Exercices de Physique des dispositifs à impulsions
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Eleonore_sa5 May 2014

Exercices de physique des dispositifs 5 , Exercices de Physique des dispositifs à impulsions

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Exercices de physique des dispositifs sur le jeu de fête foraine. Les principaux thèmes abordés sont les suivants: la propulsion de la bille, la chute de la bille.
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Exercice n°1 : JEU DE FETE FORAINE

Antilles 2005 Exercice n°1 : JEU DE FÊTE FORAINE (5,5 points) Calculatrice interdite

Le but du jeu est d’envoyer une bille d'acier dans un trou. Pour lancer la bille, le joueur comprime un

ressort, à spires non jointives, qui va la propulser lors de la détente. La boule roule ensuite sur un plan

horizontal suivant la droite (AC), quitte ce plan pour chuter dans un des trous du sol. Le schéma du

dispositif est représenté ci-dessous : (schéma non à l’échelle).

Étudions le mouvement de la bille, objet ponctuel, dans un référentiel terrestre supposé galiléen.

On néglige les frottements.

Données :

- intensité de la pesanteur : g = 10 m.s-2 - masse de la bille : m = 10 g - constante de raideur du ressort : k = 25 N.m-1 - masse du ressort : négligeable devant la masse de la bille.

Aide mathématique : 21010

n

n

1. PROPULSION DE LA BILLE

Initialement, le ressort est au repos. Le joueur tire la poignée (compression du ressort) et la bloque avec la

gâchette. Il place la bille contre le cylindre en A’, abscisse xA’ = – 10 cm sur l’axe (Ox).

1.1. Exprimer et calculer l’énergie potentielle élastique Epe(A’) acquise par le ressort une fois comprimé. (Donner la valeur de Epe(A’) avec deux chiffres significatifs).

Le joueur appuie sur la gâchette, le ressort se détend et reprend sa position initiale ; le cylindre arrête son

mouvement sur la butée. La bille reste en contact avec le cylindre durant la détente jusqu’au point O.

La bille se déplaçant sur un plan horizontal, son énergie potentielle de pesanteur est constante et on la

prendra égale à 0.

1.2. Quelle forme d’énergie acquiert la bille lors de la détente du ressort ? Donner son expression littérale en précisant les unités.

1.3. Donner l’expression littérale de l’énergie mécanique du système {ressort – bille}.

1.4. Que peut-on dire de l’énergie mécanique sachant que les frottements sont négligeables ?

1.5. Quelle est la valeur de l’énergie cinétique de la bille arrivée au point O ? Justifier la réponse.

1.6. Déduire l’expression littérale de la vitesse v. Calculer la valeur de la vitesse de la bille vO au point O.

La bille se déplace ensuite jusqu’au point C suivant la droite (OC).

1.7. La vitesse de la bille en C est-elle égale à la vitesse vO ? Justifier la réponse.

2. CHUTE DE LA BILLE

La bille quitte à la date t = 0 le plan en C avec une vitesse vC égale à 5,0 m.s-1 et de direction horizontale.

2.1. Établir l’expression vectorielle de l’accélération de la bille à partir du bilan des forces.

2.2. Donner les composantes du vecteur accélération dans le repère orthonormé (D,X,Y).

2.3. Établir les équations horaires littérales X(t) et Y(t) du mouvement.

2.4. Déterminer les expressions littérale et numérique de l’équation Y(X) de la trajectoire de la bille.

2.5. En déduire l’abscisse du trou dans lequel tombe la bille.

Trou E Trou F Trou G

D

Schéma non à l'échelle

Coordonnées des points en mètres;

vecteurs unitaires : i

et j

D (0 ; 0)

C (0 ; 0,05)

E (0,25 ; 0)

F (0,50 ; 0)

G (0,75 ; 0)

i

j

C

Cv

Y

X

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